zaštita okoliša fkit

ZZAAŠŠTTIITTAA OOKKOOLLIIŠŠAA

(Interna skripta za studente preddiplomskih studija Ekoinženjerstvo i Kemijsko inženjerstvo)

Zagreb, akademska godina 2013/2014.

SSvveeuuččiilliiššttee uu ZZaaggrreebbuu FFaakkuulltteett kkeemmiijjsskkoogg iinnžžeennjjeerrssttvvaa

ii tteehhnnoollooggiijjee

DDrr.. sscc.. FFeelliicciittaa BBrriišškkii,, rreedd.. pprrooff..

KAZALO: str. UVOD 1 Poglavlje 1: SVIJET U KOJEM ŽIVIMO

1.1. POPULACIJA 3 Demografska razdoblja 4 Specifičnosti demografskog razvoja u Hrvatskoj 5

1.2. EKOSUSTAV I ENERGIJA 6 1.3. EKOSUSTAV I FIZIKALNI OKOLIŠ 8 1.4. RIZICI ZA OKOLIŠ 13

Građevinski radovi 13 Kemijska industrija 14 Rudnici – površinski kopovi 14 Tvornica celuloze i papira 15 Gradska kanalizacija 16 Izljevanje nafte na morsku površinu 16 Ispuštanje otrovnog plina u atmosferu 17 Ispuštanje radioaktivnih tvari u atmosferu 18 Utjecaj mnogostrukih i raspršenih izvora onečišćenja na okoliš 18 Pojava alge Caulerpa taxifolia u Mediteranu i u Hrvatskoj 19

1.5. ZAKON O ZAŠTITI OKOLIŠA REPUBLIKE HRVATSKE 20

Poglavlje 2: PRIRODNE I OTPADNE VODE 2.1. PODJELA VODNOG OKOLIŠA 24 2.2. UPORABA I KAKVOĆA VODE 25

Uzorkovanje vode 26 2.3. VODE ZA PIĆE 26

Prisutnost nitrata u vodocrpilištima i njihovo uklanjanje 27 2.4. PRIPREMA VODE ZA PIĆE 28

Filtracija i regeneracija filtarske mase 28 Oksidacija 32

2.5. PRIPREMA PROCESNE VODE 33 Mekšanje, dekarbonizacija i demineralizacija vode 33

2.6. OTPADNE VODE 34 Kemijski sastav i analiza otpadne vode 34 Odvodnja otpadnih voda 38

2.7. OBRADA OTPADNIH VODA 38 Fizikalni procesi obrade 39 Fizikalno-kemijski procesi obrade 40 Biološki procesi obrade 41 Stupnjevi obrade otpadne vode i procesna oprema 46 Odlaganje muljeva 49

Poglavlje 3: TLO I ONEČIŠĆENJE TLA

3.1. TLO KAO PRIRODNI FENOMEN I UPORABA ZEMLJIŠTA 52 Nastajanje tla 53 Procesi u tlu 55 Svojstva tla 57 Uporaba zemljišta 59

3.2. ČVRSTE OTPADNE TVARI 60 Procesi i postupci obrade neopasnog i opasnog otpada 62

Sanitarna odlagališta 62 Spaljivanje otpada 63 Kompostiranje otpada 65 Opasni otpad i postupci obrade 69

3.3. METODOLOGIJA SMANJIVANJA OTPADA 74 Smanjivanje otpada na mjestu nastajanja 74 Ponovna uporaba 75 Recikliranje materijala 75

Poglavlje 4: ZRAK, ONEČIŠĆENJE ZRAKA I PROMJENA KLIME

4.1. SASTAV I SVOJSTVA ZRAKA 78 4.2. IZVORI ONEČIŠĆENJA ZRAKA 82

Sumporov dioksid 83 Dušikovi oksidi 86 Amonijak 88 Sumporovodik 89 Ozon, PAN i fotokemijski smog 89 Izbor matematičkih modela za procjenu kakvoće zraka 91

4.3. OŠTEĆENJE STARTOSFERSKOG SLOJA OZONA I POSLJEDICE 93 Klorfluorugljici i njihova zamjena 94 Utjecaj ultraljubičastih zraka na ljude i okoliš 96

4.4. GLOBALNO ZAGRIJAVANJE I PROMJENA KLIME 97 Staklenički plinovi i posljedice promjene klime 98

Poglavlje 5: OSTALE VRSTE I IZVORI ONEČIŠĆENJA OKOLIŠA

5.1. PROBLEM PREKOMJERNE UPORABE PESTICIDA 100 Kemijski sastav i podjela pesticida 100 Razgradnja pesticida u okolišu 101

5.2. IZVORI ONEČIŠĆENJA PRI PROIZVODNJI ELEKTRIČNE ENERGIJE 102 Vrste onečišćenja 102 Utjecaj neobrađenih otpadnih tokova na prijemnike 103 Energenti i njihov utjecaj na okoliš 103 Energetska strategija u Republici Hrvatskoj 105

5.3. BUKA KAO IZVOR ONEČIŠĆENJA 108 Definicija i svojstva zvuka 108 Izvori i mjerenje buke 109 Intenzitet buke i utjecaj na zdravlje 111 Metode smanjivanja buke u radnom prostoru 111 Smanjenje prometne buke 114

5.4. SVJETLOSNO ONEČIŠĆENJE 114 Mjerenje rasvjete 114 Što je svjetlosno onečišćenje 115 Kako smanjiti svjetlosno onečišćenje 116

5.5. RADIOAKTIVNO ZRAČENJE KAO IZVOR ONEČIŠĆENJA 117 Mjerenje radijacije, utjecaj na organizam i zaštita 118 Odlaganje radioaktivnog otpada 119 Zatvaranje nuklearnih elektrana 120

Zamolba studentima: Molim de se uvaže moguće greške nastale tijekom pripreme teksta.

Molim sve greške dostaviti na autoričinu e-mail adresu ili javiti u Zavod.

Hvala na razumijevanju.

Uvod

1

UVOD

Početkom 20. stoljeća počinje intenzivni razvoj industrije a porastom broja stanovništva mijenja se i odnos čovjeka prema okolišu. Do tog vremena okoliš je imao održiva obilježja, što znači da su se različiti otpadni tokovi nastali prirodnim aktivnostima uspješno razgradili, reciklirali i iskoristili za ponovni rast i razvoj živog svijeta. Tako na primjer, prirodni požari šuma ostavljaju za sobom opustošeno požarište ali i na tlu brojne elemente korisne za ponovni razvoj vegetacije a plinovita komponenta poput ugljikovog dioksida dospijeva u atmosferu, te nošen gibanjem zračnih masa sudjeluje u fotosintezi ili se apsorbira na morskoj površini. Drugi primjer bi bio opadanje lišća na tlo tijekom jeseni i prirodna biorazgradnja do jednostavnih elemenata, koji zatim dospjevaju do korjenskog sustava i biljka ih ponovo koristi za daljnji rast i razvoj. I tako bi se moglo dalje nabrajati i opisivati i druge primjere kojih ima mnogo u prirodi.

Kako definirati okoliš i elemente okoliša? Okoliš je sve što nas okružuje i suma je svih uvjeta i utjecaja (fizički i biološki čimbenici) koji djeluju na Zemlji. Ljudi doživljavaju okoliš kroz različite aspekte (pejzaž, prirodni resursi, nestajanje šuma, industrijsko onečišćenje) i više funkcija (rekreacija, izvor resursa, odlaganje otpada). Okoliš zbog toga gubi sposobnost ispravno obavljati sve te funkcije. Elemente okoliša čine neživi ili fizički elementi (atmosfera, hidrosfera i litosfera) i živi ili biološki elementi (biljke, mikroorganizmi, životinje, čovjek). Atmosfera je nevidljivi sloj plinova i sadrži 21% O2, 78% N2, u tragovima CO2, Ar, Ne, He, vodenu paru. Gustoća plinova se izrazito smanjuje s porastom visine i tlak pada od 1 at pri razini mora do 3×10-7 at na 100 km visine. Hidrosferu čine potoci, rijeke, jezera, podzemne vode,mora i oceani. Litosferu čine stijene različitog kemijskog sastava a na površini je tlo (pedosfera), različite debljine.Biosferu čine atmosfera, hidrosfera i litosfera koje podržavaju život, od dna oceana (11.000 m) do vrha najviše planine (9.000 m). Ekosustav je osnovna prostorna ili organizacijska jedinica organizama i nežive tvari između kojih se stvaraju, kruže i izmjenjuju tvari i energija. Nežive tvari ili abiotski čimbenici su voda, tlo, zrak, sunčeva energija i temperatura. Zajednica je skupina jedinki ljudi svih živih bića koje ne žive izolirano već se životni interesi pojedinih skupina isprepliću i utječu jedni na druge, bez utjecaja abiotskih čimbenika. Biotop (životno stanište) je prostorno ograničena područja koja obilježavaju pojedine kombinacije ekoloških čimbenika. Biocenoza je skupina jedinki (biljke, životinje i ostala živa bića) različitih populacija koje žive u određenom staništu (biotopu) stvarajući životnu zajednicu i usko su povezane različitim međuodnosima.

Pojavom industrijskog razdoblja stanje u okolišu poprima neodržive značajke. Sveukupna ljudska aktivnost (industrija, graditeljstvo, promet, intenzivna poljoprivreda, eksploatacija rudnog blaga) remeti prirodnu ravnotežu i uništava pojedine ekosustave, pa štete izazvane u biosferi prijete zaustavljanjem održivog razvoja. Problemi u okolišu nastali pod utjecajem čovjeka su sljedeći:

1. onečišćenje tla, podzemnih voda, površinskih voda, mora i zraka 2. uništavanje šuma, povećanje pustinjskih predjela, erozija tla 3. promjena klime (učinak staklenika) 4. smanjivanje ozonskog sloja u atmosferi 5. smanjenje biološke raznolikosti zbog izumiranja vrsta

Međutim, prije detaljnijeg osvrta o pojedinim ekosustavima planeta Zemlje, potrebno je

upoznati se s nekoliko osnovnih pojmova u zaštiti okoliša: • Onečišćenje (eng. pollution) – unos neke tvari ili energije u okoliš, ali u koncentraciji

koja ne uzrokuje trajnu štetu • Onečišćivač – postrojenje ili osoba koja svojom djelatnošću uzrokuje onečišćenje • Ekologija – znanost unutar biologije koja proučava odnose između organizama i

okoliša u kojem žive (Ernest Haeckel, 19. - definirao što je ekologija). Često se

fbriski

Note

Uvod

2

pogrešno upotrebljava umjesto izraza okoliš (eng. environment). Popularizacijom pojma ekologija, postao je sinonim za okoliš Dio ljudi izraz ekologija upotrebljavaju u širem smislu (socijalna ekologija) imajući u vidu zakonitosti upravljanja našom “kućom” (gr. oikos) planetom Zemljom.

• Zaštita okoliša – znanost o okolišu koja proučava sve aspekte zaštite okoliša i zdravlja ljudi primjenom inženjerske metodologije u iznalaženju rješenja za očuvanja prirodnih resursa i zaštitu sadašnjeg stanja okoliša. Skup različitih aktivnosti omogućava održavanje ili poboljšavanje obnavljanja kakvoće okoliša kroz sprječavanje emisije onečišćujućih tvari ili smanjenje onečišćujućih tvari u okolišu.

• Inženjerstvo okoliša – proučava znanstvene principe u području inženjerstva kakvoće vode i zraka te upravljanja opasnim otpadom uz prethodno poznavanje temeljnih disciplina kao što su matematika, fizika, kemija, znanost o okolišu i inženjerstvo.

Nemoguće je nabrojati i opisati sve vrste onečišćenja koja dospjevaju ili mogu dospjeti u

okoliš, njihovu interakciju s okolišem i posljedice toga. Potrebno je naglasiti da neka vrsta onečišćenja ne djeluje samo na jedan ekosustav već su utjecaji isprepleteni kako je grafički pikazano.

Elementi (sastavnica) okoliša

ATMOSFERA

HIDROSFERA

LITOSFERA

BIOSFERA

Vrste onečišćenjaŠTETNI PLINOVIBUKASVJETLOSNO ONEČIŠĆENJERADIOAKTIVNO ONEČIŠĆENJETEKUĆI OTPADNI TOKOVITOPLINSKO ONEČIŠĆENJEČVRSTI OTPADPESTICIDITOKSIČNE KOVINE

Grafički prikaz utjecaja različitih vrsta onečićenja na ekosustave

Naprijed navedeni grafički prikaz samo okvirno pokazuje utjecaj pojedinih onečišćenja na neki od ekosustava. Kada bi se samo jedna vrsta onečišćenja povezala sa svim komponentama okoliša što se u stvarnosti i događa, nastala bi cijela šuma strijelica te bi grafički prikaz postao nejasan.

I na kraju, želja je autora upoznati studente sa sastavom i osnovnim procesima koji se odvijaju u hidrosferi, litosferi i atmosferi, pojasniti utjecaj različitih izvora onečišćenja na abiotske (nežive) i biotske (živi svijet u okolišu) resurse i zdravlje ljudi, te objasniti osnovne fizikalne, fizikalno-kemijske i biološke procese kao i izbor procesne opreme za obradu otpadnih tokova u cilju zaštite okoliša.

1. Svijet u kojem živimo

3

Poglavlje 1: SVIJET U KOJEM ŽIVIMO 1.1. POPULACIJA

Općenito se može reći da je populacija skupina jedinki iste vrste koje istovremeno žive zajedno na istom staništu i međusobno se razmnožavaju tvore populaciju te vrste. Za populaciju su značajni natalitet, mortalitet, reproduktivni potencijal, rast populacije, dobna struktura, gustoća i raspored jedinki u prostoru. Ljudska populacija se nalazi u središtu mnogih problema u okolišu. Biološki principi koji utječu na populaciju drugih vrsta mogu se primijeniti i na ljudsku populaciju. Ekologija populacije je znanost koja proučava broj jedinki određene vrste u nekom prostoru, kako i zašto se njihov broj mijenja ili ostaje nepromijenjen tijekom vremena. Ekolozi utvrđuju populacijske procese koje su zajedničke svim zajednicama. Proučavaju odziv populacije na uvjete u okolišu, kompeticiju, predaciju i bolest.

Veličina populacije nema smisla ukoliko nije definirana granica područja u kojoj se nalazi istraživana populacija. Za primjer se može navesti 1000 miševa na100 hektara ili 1000 na 1 hektaru. Ukoliko je populacija prevelika tada se vrši uzorkovanje na definiranom području, a rezultat se iskazuje kao gustoća populacije na toj površini. Za primjer se može navesti broj cvjetnica po 1m2 cvjetne lijehe ili broj uši po 1 cm2 lista kupusa. Shodno tome, gustoća populacije je broj jedinki određene vrste po jedinici površine ili volumena u danom vremenu. Promjena veličine populacije - Broj biljaka, životinja ili ljudi se mijenja tijekom vremena. Kod ljudske zajednice promjena ili brzina rasta (b) populacije predstavlja razliku između udjela rođenih (r) i udjela umrlih (u):

urb −=

Primjer: U ljudskoj populaciji od 10.000, rođenih je 200 godišnje ili 20 /1000 a 100 umrlih

godišnje ili 10/1000.

01,001,002,0100010

100020 =−=−=−= urb

Odnosno izraženo u postotcima, brzina rasta populacije iznosi 1%. Brzina rasta populacije može se izraziti i kao vrijeme udvostručenja. To je vrijeme potrebno da se populacija udvostruči, uz pretpostavku da se brzina rasta ne mijenja. Vrijeme udvostručenja (vd) se procjenjuje dijeljenjem broja 70 s brzinom rasta (b) izraženom u % godišnje:

godinabdv 701

7070 ===

To je pojednostavljena formula za vrijeme udvostručenja. Stvarna formula uključuje još mnoge parametre i statističke podatke. Za ovakve izračune često se koriste diferencijalne jednadžbe kako bi se dobio uvid u mogući eksponencijalni rast populacije. Pri istraživanju promjene broja populacije na lokalnoj razini, osim brzine rađanja i umiranja populacije, potrebno je uračunati i migraciju populacije (imigracija ili emigracija).

Koji god broj se odabere, toliko dugo dok je (b) pozitivan izračun populacije za određeno proteklo vrijeme daje eksponencijalnu krivulju rasta. Brzina rasta populacije u vremenu prikazuje sljedeće jednadžba: gdje je: b – brzina prirodnog rasta t – definirani vremenski raspon N – broj jedinki u populaciji pri u određenom trenutku

NbdtdN

×=


4

Algebarsko rješenje diferencijalne jednadžbe glasi:

N = N0 ebt gdje je: N0 – početna populacija

N – populacija nakon nekog vremena koje je prošlo, t e – konstanta 2.71828... (baza prirodnog logaritma)

Uvrštavanjem izračunatih vrijednosti u dijagram, dobiva se eksponencijalna krivulja rasta, jer pokazuje rast broja populacije na potenciju (bt), kako je prikazano u slici 1.1.:

Slika 1.1. Grafički prikaz krivulje eksponencijalnog rasta populacije

Kada se populacija udvostručila N = N0 × 2, uvrštavanjem u jednadžbu eksponencijalnog

rasta, 2N0 = N0ebt ebt = 2 bt = 2 → prirodni logaritam od 2 = 0.69 vrijeme se udvostručenja se može izračunati i izrazom: vd = 0.69/b. Primjer: Sri Lanka s prirodnim rastom (b) od 1.3% (0.013) ima vrijeme udvostručenja:

vd = 0.69/0.013 = 53 godine Pravilo "70" je korisno, jer grubo objašnjava razdoblja uključena u eksponencijalni rast pri konstantnoj brzini (vrijeme udvostručenja populacije vd = 70/b%). Primjer: Pri brzini rasta od b = 2,8 % godišnje, populacija u Ugandi će se udvostručiti za

70/2,8 = 24 godine ukoliko brzina rasta ostane nepromijenjena. Demografska razdoblja

Trebalo je više tisuća godina dok ljudska populacija nije dosegla brojku od 1 milijarde (1800.g). U daljnjih 130 godina ta brojka je iznosila 2.000.000.000 (1930.). nakon toga je u sljedećih 30 godina iznosila 3.000.000.000 (1960.). Za daljnjih 15 godina broj stanovništva je doseglo brojku od 4.000.000.000 (1975.). U idućih 12 godina bilo je 5.000.000.000 (1987.) i konačno projekcija za 1999. iznosi 6.000.000.000. Nagli porast stanovništva nije rezultat porasta broja rođenih nego velikog smanjenja broja umrlih. Razlog tome je veća proizvodnja hrane, bolja zdravstvena briga i poboljšani higijenski uvjeti života. Stručnjaci u UN i Svjetskoj banci predviđaju da će krajem 21. stoljeća doći do nultog rasta populacije (brzina rasta rođenih = brzini rasta umrlih), tj. bit će oko 7,8 milijardi (najmanje), odnosno 12,5


5

milijardi (najviše) stanovnika. Promatrajući demografiju različitih zemalja uočeno je da je u visoko razvijenim zemljama mala brzina rasta novorođenih, u zemljama u razvoju je veća nego u visoko razvijenim zemljama a u nerazvijenim zemljama je najveći rast novorođenih.

Europski demografi ustanovili 4 razdoblja u rastu populacije. Za primjer su uzeli Finsku, ali su rezultati istraživanja primjenjivi i za ostale europske zemlje, jer su sve prošle ove stupnjeve. Predindustrijsko – udjeli rođenih i umrlih su visoki u ukupnoj populaciji (glad, zaraze, ratovi).Populacija sporo raste, iako je veliki broj rođenih (kraj 18. st.). Prijelazno – smanjuje se udio smrtnosti. Početak industrijskog razdoblja (1850.). Populacija vrlo brzo raste jer je visoki udio rođenih (veća briga o zdravlju, više hrane, kvalitetna voda). Industrijsko – smanjuje se udio rođenih, usporava se rast populacije, iako je udio umrlih mali (početak 1900. g). Postindustrijsko – mali udio rođenih i umrlih. Populacija sporo ili uopće ne raste, a to se odnosi na industrijski vrlo razvijene zemlje, ljudi su obrazovaniji i žele manju obitelj.

Vezano uz prirodne rezerve i okoliš, pojedincu je za preživljavanje dovoljno malo sirovina koje crpi iz prirodnih izvora, ali broj populacije naglo raste pa dolazi do osiromašenja tala, uništavanja šuma i iscrpljivanja prirodnih rezervi. Prirodni izvori su razvrstani u neobnovljive i obnovljive. U neobnovljive izvore se ubrajaju minerali, fosilna goriva i prirodni plin, dok se pod obnovljivim izvorima podrazumijeva uporaba drveća, riba, plodno poljoprivredno tlo, prirodne vode. Međutim nagli rast populacije može ugroziti obnovljive izvore. Ovaj utjecaj je najpogubniji u zemljama u razvoju. Razlog tome je ekonomski rast vezan uz prekomjerno iskorištavanje prirodnih rezervi uz istovremeno intenzivno onečišćavanje okoliša.Utjecaj populacije na okoliš može se prikazati jednostavnim modelom kako slijedi:

osobipopotrošnjautjecajtehnološkipopulacijaokolišnaUtjecaj ××=

Broj populacije u odnosu na potrošnju ovisi o pojedinim područjima. Tako je u najrazvijenijima najveća, a u nerazvijenim najmanja. Onečišćenja u okolišu nastala ljudskom aktivnošću su brojna i vrlo isprepletena. Specifičnosti demografskog razvoja u Hrvatskoj

U razdoblju nakon Drugog svjetskog rata, tj. između prvog takozvanog kratkog popisa stanovništva 1948. godine i posljednjeg 1991. godine, u Hrvatskoj je došlo do ubrzanja procesa demografske tranzicije (procesa demografskog prijelaza), i to u tijeku podetape kasne tranzicije u razvoju stanovništva. U 1950. godini u Hrvatskoj je u okviru kompenzacijskog razdoblja nakon rata zabilježena najveća stopa nataliteta, koja je iznosila 24,8 na 1.000 stanovnika. Ona je nakon 1950. postupno padala, ali je sve do 1957. bila iznad razine od 20 promila. Tek je nakon 1957. godine definitivno snižena ispod te razine, što je prema demografsko-statističkim kriterijima periodizacije razvoja stanovništva u teoriji demografske tranzicije označilo nastupanje kasne tranzicijske podetape u razvoju stanovništva Hrvatske. Ta se stopa tijekom 1980-ih godina ubrzano približila nultoj razini: u 1980. godini iznosila je 4,0 na 1.000 stanovnika, a u 1990. smanjila se gotovo šest puta i iznosila svega 0,7 promila. U 1991. i sljedećim godinama (1991-1995), na razini cijele Hrvatske, prvi je put u razdoblju nakon Drugog svjetskog rata zabilježeno više umrlih žitelja nego živorođenih. U petogodištu 1991-1995, prema tome, nastupio je u nas proces prirodnog smanjenja stanovništva/prirodne depopulacije, koji je, uz ostale otprije djelujuće čimbenike niskog i opadajućeg nataliteta i starenja stanovništva, izravno uvjetovala ratna agresija na Hrvatsku u 1991/1992. godini. Negativna stopa prirodnog prirasta odnosno stopa prirodnog smanjenja stanovništva zabilježena je u svim godinama od 1991. do 1995, s tim daje u 1992. godini, kadaje iznosila -1,2 promila (tj. kada je zabilježeno 4.830 više umrlih nego rođenih), bila relativno najveća. Od 1992. do 1995.godine stopa prirodnog smanjenja stanovništva se smanjila i postupno tendira prema nultoj razini, ali je još uvijek zadržala negativan predznak. U takvoj situaciji u području prirodne mijene žiteljstva došlo je u navedenim godinama (1991-1995) i do


6

povećanja emigracijske sastavnice u ukupnoj demografskoj bilanci Hrvatske. To je neposredni odraz ratnih događaja i gospodarske te socijalno-psihološke nesigurnosti koju sa sobom nosi ratno stanje, naročito u području zapošljavanja i migracije, stvarajući njene specifične oblike (prisilna migracija i izbjeglice).

Demografski trendovi u Hrvatskoj u prirodnom kretanju stanovništva, odnosno u kretanju vitalnih stopa (nataliteta, mortaliteta i prirodnog prirasta/smanjenja) i u promjenama dobne strukture, a napose u ubrzanom starenju populacije, slični su trendovima u tim veličinamau mnogim zemljama Zapadne Europe (Austrija, Njemačka, Italija, Švicarska, Norveška,Svedska i druge). To je osobito izraženo ako se usporede brojčane razine navedenih vitalnihstopa kao i udjel/postotak starog u ukupnom stanovništvu Hrvatske i u ukupnom stanovništvunavedenih zemalja. U 1993. godini stopa totalnog fertiliteta iznosila je: u Austriji 1,51, u Belgiji 1,64, u Danskoj 1,76, u Francuskoj 1,73, u Italiji 1,25, u Njemačkoj 1,42, u Norveškoj 1,88, u Švicarskoj 1,60, itd., a u Hrvatskoj 1,52. Empirijska istraživanja demografske povijesti pojedinih zemalja pokazuju da je opadajuće kretanje i niska brojčana razina vitalnih stopa općenito karakteristična za zemlje koje je zahvatio proces modernizacije društva i njegovi parcijalni, međusobno povezani procesi - industrijalizacija, urbanizacija, širenje obrazovanja i širenje zdravstvene zaštite, koje naročito djeluje na smanjenje mortaliteta dojenčadi i male djece i na primjenu sredstava kontracepcije. Ali valja upozoriti da se iza slične brojčane razine stopa nataliteta/fertiliteta i prirodnog prirasta, stopa reprodukcije (bruto i neto stopa reprodukcije, stope totalnog fertiliteta, opće stope fertiliteta i drugih) i udjela staračkog u ukupnom stanovništvu u Hrvatskoj i u mnogim zapadnoeuropskim zemljama krije različita razina gospodarskog razvoja kao i različiti životni uvjeti. To znači da ekonomske i socio-psihološke odrednice brojčane razine tih stopa u tim zemljama također nisu istovjetne. Zemlje Zapadne Europe proživjele su proces modernizacije društva, uključivši njegove navedene parcijalne, sastavne procese, znatno ranije nego Hrvatska. Stoga je u tim zemljama sadašnja posttranzicijska etapa u razvoju njihova stanovništva, koju obilježava niska brojčana razina stope nataliteta (ispod 14 promila), kao i drugih vitalnih stopa i stopa reprodukcije, rezultanta postojanja visoke razine ekonomskog razvoja, razvijene strukture privrede i razvijene ekonomsko-socijalne strukture stanovništva karakteristične za posttranzicijsko društvo sa svim njegovim bitnim obilježjima i društvenim normama života. 1.2. EKOSUSTAV I ENERGIJA

Životna energija podrazumijeva kapacitet ili sposobnost obavljanja rada. Organizmima je

energija potrebna za biološki rad kao što je proces rasta, kretanja, razmnožavanja, održavanje i popravljanje oštećenih stanica. Energija postoji u nekoliko oblika - kemijska, zračenje, toplinska, mehanička, atomska i električna. Energija može biti pohranjena kao potencijalna energija ili kao kinetička koja je energija gibanja. Tako primjerice, strijela napeta na luku je potencijalna energija, a kada se nit luka otpusti potencijalna energija se pretvara u kinetičku. Tako se energija mijenja iz jednog oblika u drugi. Termodinamika je disciplina koja proučava energiju i njezino pretvaranje. Dva su zakona o energiji koja općenito vrijede za cijeli svijet i to su prvi i drugi zakon termodinamike.

Prema prvom zakonu termodinamike, energija se ne može stvoriti niti uništiti, iako se može pretvoriti iz jednog oblika u drugi. Koliko je poznato sva energija koja je nastala pri stvaranju svijeta, prije 15 do 20 milijardi godina, jednaka je današnjoj količini.. Može se reći da je to sva energija koja uopće može biti prisutna u svijetu. Slično tome, i energija nekog objekta i njegovog okoliša jeste stalna. Objekt može apsorbirati energiju iz okoliša ili može predati svoju energiju u okoliš, ali ukupni sadržaj energije objekta i okoliša je uvijek isti.

Shodno tome, živa bića ne mogu stvoriti energiju koja im je potrebna za život. Nasuprot tome, oni ju moraju uzeti iz okoliša za svoj biološki rad, proces koji uključuje pretvorbu energije iz jednog oblika u drugi. Tako npr. pri fotosintezi biljke apsorbiraju energiju sunčeva


7

zračenja i pretvaraju tu energiju u kemijsku energiju, koja je pohranjena u molekulama ugljikohidrata. Slično tome, ova se kemijska energija, kada životinja konzumira biljku, pretvara u mehaničku energiju koja pokreće mišiće, omogućujući životinji kretanje, trčanje, puzanje, letenje ili plivanje.

Pri pretvorbi energije, dio energije se pretvara u toplinsku energiju, koja onda prelazi u hladniji okoliš. Ova se energija više ne može upotrijebiti za biološki rad - ona je izgubljena s biološke točke gledišta. Ipak, ona nije izgubljena s gledišta termodinamike, jer je ta energija ipak ostala u fizikalnom okolišu. Shodno tome, može se reći da je tijekom pretvorbe energije iz jednog oblika u drugi, dio korisne energije - kao energija potrebna za rad - prešlo u manje korisni oblik, toplinu koja se širi u okoliš. Rezultat toga je da s vremenom smanjenje količina korisne energije za rad. Važno je shvatiti, u skladu s prvim zakonom termodinamike, da se ukupna količina energije ipak ne mijenja s vremenom. Međutim, korisna energija potrebna za rad se s vremenom pretvorila u manje korisnu energiju. Takva manje korisna energija je difuzna ili neorganizirana. Entropija je mjera tog nereda. Zato, organizirana korisna energija ima nisku entropiju, dok neorganizirana energija kao što je toplina ima visoku entropiju. U svijetu entropija stalno raste u svim prirodnim procesima. Moguće je da će u nekom vremenu, nekoliko milijardi godina od sada, sva energija postojati samo u obliku topline. Ukoliko se to dogodi, svijet će prestati funkcionirati, jer će biti onemogućen rad. Sve će biti pri istoj temperaturi i neće biti puta da se toplinska energija pretvori u korisnu mehaničku energiju.

Rezultat drugog zakona termodinamike jeste da niti jedan proces koji zahtjeva pretvorbu energije nema 100%-tni učinak, jer se dio energije gubi kao toplina, što dovodi do porasta entropije. Tako je na primjer, efikasnost nekog automobilski motora koji pretvara kemijsku energiju goriva u toplinsku i zatim u mehaničku samo 20-30%. Samo 20-30% od ukupne energije koja je bila pohranjena u obliku kemijske energije goriva stvarno se pretvorilo u mehaničku energiju. U našim stanicama efikasnost potrošnje energije iznosi oko 50%, dok ostatak energije prelazi u okoliš u obliku topline. Organizmi imaju visoki stupanj organizacije i na prvi pogled izgleda kao da pobijaju drugi zakon termodinamike. Kako organizmi rastu i razvijaju se, oni pri tome održavaju visoki stupanj reda te se ne primjećuje veći stupanj nereda. Oni uspijevaju održavati svoj stupanj reda tijekom vremena samo zbog stalnog dotoka energije. Zbog toga biljke moraju fotosintetizirati, a životinje jesti.

Fotosinteza je biološki proces pri čemu se energija svjetlosti pretvara u kemijsku energiju u molekuli ugljikohidrata. Fotosintetski pigmenti kao klorofil, koji je zeleni i daje biljci zelenu boju, apsorbira energiju zračenja. Ova se energija koristi za proizvodnju ugljikohidrata koji se zove glukoza (C6H12O6) iz ugljik (IV)oksida (CO2) i vode (H2O) uz oslobađanje kisika (O2), prema jednadžbi kako sljedi:

6 CO2 + 12 H2O + energija zračenja → C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 Fotosintezu, koja je esencijalna skoro za sve oblike života, provode biljke, alge i neke bakterije. Fotosinteza omogućava ovim organizmima energiju u obliku molekula glukoze koju mogu koristiti po potrebi. Energija se može pretvoriti iz jednog oblika u drugi - npr. kada životinje jedu biljku. Fotosintezom nastaje kisik, koji je potreban brojnim bićima za pretvorbu hrane. Pretvorba kemijske energije pohranjene u ugljikohidratima i drugim molekulama kod biljke događa se unutar stanice i zove se stanično disanje. U tom procesu molekula glukoze se u prisutnosti kisika razgrađuje na ugljik (IV)oksid i vodu, pri čemu se oslobađa energija:

C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O → 6 CO2 + 12 H2O + energija (-ΔH) Stanično disanje omogućuje iskorištavanje pohranjene kemijske energije u glukozi i drugim dostupnim molekulama hrane za biološki rad stanice. Zato sva bića dišu kako bi proizvela energiju.


8

Energija ulazi u ekosustav putem sunčeve energije zračenja, a dio te energije biva zarobljen u biljci tijekom fotosinteze. Tako je ova energija pretvorena u kemijsku energiju. Kada se kemijska energija tijekom staničnog disanja razgradi, nastaje energija koja je dostupna za rad što uključuje popravljanje staničnog tkiva, proizvodnju tjelesne topline ili razmnožavanje. Po završetku rada energija se rasipa u okoliš kao toplina. U konačnici, ova energija topline zrači natrag u svemir. Sunčeva svjetlost je energija koja upravlja gotovo svim životnim procesima.

Na osnovi načina prehrane, organizmi se u nekoj zajednici mogu podjeliti u tri kategorije: proizvođači, potrošači i razgrađivači. U većini zajednica su prisutni predstavnici svih triju grupa uz izrazito međusobno djelovanje. Zajednica je skupina jedinki ljudi i svih živih bića koje ne žive izolirano već se životni interesi pojedinih skupina isprepliću i utječu jedni na druge, bez utjecaja abiotskih čimbenika. Odnosi među jedinkama različitih vrsta mogu biti sljedeći:

– Komensalizam je odnos između dviju vrsta, jedna ima koristi a drugoj niti koristi niti šteti

– Mutualizam je zajednica dviju vrsta koje imaju obostranu korist, ka na primjer lišaj gdje su prisutni fungi i zelene alge

– Neutralizam je zajednica gdje jedna vrsta ne utječe na drugu. Na primjer morski galeb ne utječe na život drugih vrsta ptica na morskoj obali

– Patogenost je oblik zajednice gdje neka vrsta (bakterija, virus, fungi) utječe na domaćina što rezultira bolešću

1.3. EKOSUSTAV I FIZIKALNI OKOLIŠ

Skoro potpuno izolirana od svega u svemiru osim sunčeve svjetlosti, Zemlja se često uspoređuje s beskrajnim svemirskim brodom čiji se sustav za održavanje života sastoji od bića koja ga nastanjuju. Ta živa bića vrlo djelotvorno modificiraju sastav plinova u atmosferi, prenose energiju, recikliraju otpadne tvari. Općenito rečeno, Zemlja je živa jer je sposobna za samoodržanje. Bića u međusobnom odnosu s neživim okolišem proizvode i održavaju kemijski sastav atmosfere, globalnu toplinu, salinitet oceana i ostale značajke. Iz ovoga proizlazi da okoliš Zemlje i organizmi ovise jedan o drugom.

Tvari od kojih su bića (organizmi) izgrađena, kruže u brojnim kružnim tokovima iz jednog dijela ekosustava u drugi, iz jednog organizma u drugi i iz živog organizma u neživi okoliš i ponovno natrag, te se ovi tokovi tvari zovu i biogeokemijsko kruženje. Iako energija protječe jednosmjerno kroz ekosustave, tvari stalno kruže iz neživog oblika u živi dio ekosustava i ponovno natrag (slika 1.2.).

Energija svjetlosti

Povrat ener-gije u obliku topline

Neživa tvar

Živa tvar

Kružni tok tvari

Slika 1.2. Pojednostavljeni prikaz kruženja tvari i protoka energije


9

Predstavnici svih biogeokemijskih kruženja tvari su kružni tokovi ugljika, dušika, fosfora i

vode. Ova četiri kružna toka su posebno važna bićima, jer se te tvari koriste za stvaranje kemijskih spojeva za izgradnju stanica. Ugljik, dušik i voda mogu biti u plinovitom stanju pa mogu s lakoćom kružiti do velikih udaljenosti u atmosferi. Ukupno kretanje ugljika između neživog okoliša, atmosfere i živih bića zove se kružni tok ugljika.

Molekule bitne za život (proteini, ugljikohidrati i druge) sadrže ugljik, pa je zato bićima za rast i razvoj potreban ugljik. Sadržaj ugljika u atmosferi iznosi oko 0,03 %. Prisutan je u oceanima kao otopljeni CO2 u obliku CO3

2- i HCO3-, te u stijenama kao krečnjak. Kruženje

ugljika između neživog okoliša, uključujući atmosferu, i živih bića poznato je kao kružni tok ugljika (slika 1.3.).

zrak

RESPIRACIJA SPALJIVANJE

OTOPLJE-NI CO2

OSTATCI MORSKIH PLANKTONA

RAZGRADNJASTIJENA

VAPNENAC

NAFTA

PRIRODNI PLIN

BILJNI OSTATCI

RESPIRACIJA FOTOSINTEZA

Slika 1.3. Pojednostavljeni shematski prikaz kruženja ugljika

Tijekom fotosinteze, CO2 se uklanja iz zraka i fiksira ili uklapa u kompleksne kemijske

spojeve kao što je šećer. Biljke koriste šećer za proizvodnju drugih spojeva. Tako fotosinteza ugrađuje ugljik iz neživog okoliša u biološki spoj. Ovi se spojevi služe kao gorivo za stanično disanje (respiracija).

Nakon toga se CO2 vraća u atmosferu. Ponekad velike količine ugljika ostaju pohranjene u drveću. Tu se ubrajaju i fosilna goriva nastala prije mnogo milijuna godina. Takav ugljik se vraća u atmosferu pri spaljivanju drveća odnosno fosilnih goriva. Međutim, ljudska aktivnost remeti prirodnu ravnotežu u kružnom toku ugljika, što rezultira promjenom klime i globalnim zagrijavanjem Zemlje.

Dušik je sljedeći bitni element za sva bića, jer je esencijalni dio biološke molekule kao što je aminokiselina od čijih jedinica su izgrađeni proteini. U prvi mah bi se pomislilo da ne postoji nedostatak dušika, jer ga u atmosferi ima oko 78 % u obliku molekule N2. Međutim, molekularni dušik je vrlo stabilan i ne reagira lagano s drugim elementima. Zato se molekularni dušik mora prvo "razbiti" prije nego što uđe u reakciju s drugim elementima kako bi nastale molekule aminokiselina i proteina . Pet je stupnjeva u kružnom toku dušika (slika 1.4.), u kojima on kruži između neživog okoliša i organizama:

- biološko fiksiranje plinovitog dušika N2 u NH3, - nitrifikacija gdje NH3 prelazi u NO3

-, - asimilacija kada korijenje biljaka apsorbira NO3

- ili NH3, - amonifikacija je prevođenje organskih spojeva s dušikom u NH3, - denitrifikacija je redukcija NO3

- u plinoviti N2.


10

Slika 1.4. Pojednostavljeni prikaz kruženja dušika u okolišu

Ljudska aktivnost negativno utječe na ovaj ciklus, jer prekomjernom primjenom dušičnih gnojiva, višak ispran iz tla dospijeva u vodu i utječe na kakvoću vode.

Fosfor ne postoji u plinovitom stanju pa zbog toga ne ulazi u atmosferu. On kruži od tla do sedimenta u oceanima i natrag do tla (slila 1.5.).

STIJENE

ZEMLJINA KORA

RUDARSTVO

KOPNENI SVIJET

GNOJIVO

INDUSTRIJSKI OTPAD

RIBOLOV

GUANO

MORSKI SVIJET

OCEANSKI SEDIMENT

OTOCIIz tla u vode

Prirodne vode

Slika 1.5. Pojednostavljen prikaz kružnog toka fosfora Kako voda teče preko stijena koje sadrže fosfor, površinski sloj se ispire i odlazi s vodom uključujući i anorganski fosfat. Nadalje, erozijom fosfatnih stijena, fosfor dospijeva u tlo, a korijenje biljaka ga asimilira. Kada dospije u stanicu, fosfat se ugrađuje u različite biološke molekule.

Voda stalno kruži iz oceana do atmosfere, zatim do kopna te natrag u ocean, osiguravajući ljudima obnovljivi izvor čiste vode. Rezultat ovog kompleksnog kružnog toka je ravnoteža između vode u oceanu, na kopnu i u atmosferi (slika 1.6.).

kretanje zračnih masa

evaporacija i evapotranspiracija

precipitacija

isparavanje

Podzemna voda

Slijevanje vode

kondenzacija

Slika 1.6. Pojednostavljeni prikaz kružnog toka vode


11

Voda odlazi iz atmosfere na kopno i u ocean u obliku padalina (kiša, snijeg, solika). Kada voda isparava s površine oceana i tla, iz potoka, rijeka i jezera stvaraju se oblaci u atmosferi. Uz to i transpiracija (gubitak vodene pare koja potječe od biljaka) doprinosi povećanju količine vode u atmosferi. Voda može izravno ispariti s tla i ući u atmosferu. Također može teći rijekama i potocima do estuarija i izliti se u ocean. Može se procijediti kroz tlo i vapnenac do podzemlja pri čemu nastaju podzemne vode.

Sunčevo zračenje omogućava život na Zemlji. Zagrijava planet, uključujući i atmosferu do temperature koja omogućava život (slika 1.7.). Bez ove energije, temperatura bi bila oko -273 oC i voda bi bila smrznuta. Točnije rečeno Sunce upravlja svim naprijed navedenim kružnim tokovima i također određuje klimu. Sunčeva energija je produkt ogromne nuklearne fuzijske reakcije, a dospijeva u svemir u obliku elektromagnetskog zračenja - naročito vidljivo svjetlo i infra- crveno kao i ultraljubičasto, koja se ne vide ljudskim okom.

APSORP-CIJA NA POVRŠI-NI

ULAZNA SUNČEVA RADIJACIJA (INSOLACIJA)REFLEKSIJA RASI-

PANJEM ZRAKA

UKUPNA REFLEKSIJA: 31

APSORPCIJA MOLEKULAMA I PRAŠINOM

Oblaci

TLO

POVRŠINE I OCEANI

UKUPNA

APSORPCIJA

Oblaci

Slika 1.7. Raspodjela sunčeve energije tijekom prolaza kroz atmosferu

Atmosfera je nevidljivi sloj plinova koji okružuje Zemlju. Sadrži 21 % kisika, 78 %

dušika kao i u tragovima ostalih plinova (argon, ugljik(IV)oksid, neon i helij). U zraku je prisutna vodena para i u tragovima različiti onečišćivači: metan, ozon, čestice prašine i klorfluorugljici (CFC). Međuodnosi između atmosfere i sunčeve energije odgovorni su za klimu i vremenske promjene. Organizmi ovise o atmosferi, ali joj u određenim uvjetima i mijenjaju sastav. Smatra se da je sadašnja koncentracija kisika u atmosferi rezultat fotosinteze koja je trajala milijunima godina. Ta razina se održava u ravnoteži između fotosinteze i respiracije (disanje). Atmosfera se sastoji od pet koncentričnih slojeva - troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera i ekzosfera ili ionosfera (slika 1.8.). Slojevi se mijenjaju s visinom i temperaturom. Troposfera je najbliža površini Zemlje (do 12 km). Temperatura pada s porastom visine za oko -6 oC za svaki km. Promjene vremena se događaju u troposferi (vjetar, oluje, oblaci). U stratosferi postoji ustaljeni vjetar ali bez vrtloženja.

Slika 1.8. Pojednostavljeni prikaz slojeva atmosfere

Temperatura je stabilna (-45 oC do -75 oC). Proteže se do 45 km u visinu i sadrži sloj ozona koji je bitan za život, jer apsorbira većinu sunčevih štetnih ultraljubičastih zraka. Apsorpcija

Egzosfera - 400 km → Termosfera – 300 km → Mezosfera – 50 km → Stratosfera – 40 km → Troposfera – 10 km →


12

UV-zraka u ozonskom sloju zagrijava zrak, pa temperatura raste s porastom visine stratosfere. Mezosfera je na visini od 45 km do 80 km. Temperatura pada do -138 oC. Termosferu (80 -500 km) karakterizira stalni porast temperature. Plinovi u izrazito rijetkom sloju zraka apsorbiraju X-zrake i kratkovalne UV-zrake. Aurora, slikoviti prikaz svjetlosti na tamnom polarnom nebu, nastaje kada se nabijene čestice koje dolaze sa Sunca sudare s molekulama kisika ili dušika u termosferi. Termosfera je bitna u komunikaciji putem dugih valova, jer termosfera izlazne radio-valove reflektira na Zemlju bez pomoći satelita.

Biom (kopneni ekosustavi) je veliko područje (bez obzira na mjesto pojave) na kopnu s karakterističnom klimom, tlom, biljkama i životinjama.Granica bioma definirana je nevidljivom klimatskom barijerom što uključuje temperaturu, količinu padalina i nadmorsku visinu Tako je na kopnu je poznato devet bioma.

Tundra se nalazi na sjeveru gdje prevladavaju lišajevi. Na južnom polu nema kopna pa nema ni pojeva tundre. Tajge su uglavnom crnogorične šume koje se nalaze u sjevernom hladnom području. Crnogorične prašume u umjerenom području pokrivaju područje sjeverozapadne obale Sjeverne Amerike, Južnu Ameriku i sjeveroistočnu Australiju. Šume širokolisnog drveća javljaju se u umjerenom području. U pašnjake umjerenog područja ubrajaju se prerije u zapadnoj Minessoti, Iowa, južnoj Nebraski, i stepe u Ukrajini. Vazdazelena vegetacija i makija nalazi se u mediteranskom području. Pustinje umjerenog i tropskog područja (Afrika, Azija, Amerika). Savane su pašnjaci tropskog područja (Južna Amerika i Afrika). Prašume tropskog područja nalaze se u Centralnoj i Južnoj Americi, Africi i u Jugoistočnoj Aziji (slika 1.9.).

tundra makija pašnjaci tajga Pustinja Planinska zonaTropska kišna šuma

Vazda zelena šuma umjerenog područja

Listopadna šuma umjerenog područja Polarni led

Slika 1.9. Prikaz granica bioma

Život u vodi (vodni ekosustav) je potpuno različit od života na kopnu. Temperatura okoliša ne utječe bitno na životne funkcije živih bića, jer voda ublažava utjecaj topline. Općenito vode se mogu podijeliti na prirodne (slatke) i slane vode. Vodni ekosustavi sadrže tri glavne grupe organizama: planktoni (mikroskopski organizmi u koje se ubrajaju fitoplankton), fotosintetske cijanobakterije i alge, zooplanktoni (nefotosintetski organizmi, protozoe, larve brojnih životinja), nekton (ribe, kitovi, kornjače) i bentos (brojni crvi, rakovi, zvijezde itd.).

Ekosustave prirodnih voda čine rijeke i potoci koje su tekućice, dok su jezera bare i močvare vode stajaćice. U rijekama i potocima su prisutni brojni i različiti oblici života koji ovise o brzini protoka tekućice i dotoku hranjivih tvari s kopna. Te tvari mogu biti prirodnog ili antropogenog podrijetla. U vodama stajaćicama je zbog ekstremnih okolišnih uvjeta interakcija brojnih zajednica vrlo kompleksna.U estuarijskom okolišu su se mikroorganizmi i biljke privikli na fluktuaciju prirodnih voda zbog padalina. Zbog velike mutnoće vode manje je primarnih proizvođača (fotoautotrofi – alge, cijanobakterije) a više sekundarnih proizvođača (heterotrofa). Morski okoliš je kompleksan kao i kod jezera. Temperatura, salinitet i dubina su glavne prepreke za slobodno kretanje morskih organizama. Prisutni su raznovrsni organizmi i karakteristične zone kao kod jezera.


13

1.3. RIZICI ZA OKOLIŠ

Ovo poglavlje daje presjek dobro dokumentiranih istraživanja vezanih uz nastale štete i onečišćenja okoliša tijekom 20. stoljeća (od 1911. do 1991.) Građevinski radovi

Građevinski radovi ostavljaju posljedice na okoliš. Bez obzira što se gradi (brana, nuklearna elektrana, rudokopi), uvijek je prisutna opasnost o mogućoj promjeni u okolišu. Što je veći građevinski zahvat to je i opasnost veća. Pri izgradnji se uvijek uklanja zemljište. Pri tome se često odvodnim kanalima, potocima i rijekama mijenja prirodni tok. Kao rezultat mijenja se stanište na mjestu gradnje, ali i u nizvodnom dijelu vodotoka. Veliki dijelovi šuma, planinski pašnjaci te cijela gospodarstva mogu biti pri tome uklonjena. Također se mogu uništiti mrjestilišta riba. Promijenjeni tokovi voda promijenit će i mjesta i količinu erozije tla. Miniranje strmih planina i gibanje tla može izazvati odron kamenja, a to može utjecati na masovni odron zemljišta.

Jedan od primjera građevinskih radova, koji je izazvao štetu u okolišu, bila je izgradnja željezničke pruge kroz kanjon Hell′s Gate u Kanadi tijekom 1913-1914. godine (slika 1.10).

Slika 1.10. Rijeka Fraser i kanjon Hell′s Gate

Iako se to dogodilo prije stotinu godina posljedice su vidljive još i danas. Hell′s Gate je uski klanac u kanjonu rijeke Fraser u zapadnoj Kanadi. Katastrofa u okolišu bila je izazvana odronom kamenja u kanjon prilikom gradnje željezničke pruge duž jedne od obala rijeke. Odronjeno kamenje suzilo je korito rijeke toliko da pacifički lososi nisu mogli proći kanjonom uzvodno tijekom migracije zbog mriještenja. Ovo samo po sebi ne zvuči kao velika katastrofa; mislili biste da će sljedeće godine biti više riba. Pacifički lososi bili su 1913. godine značajni ekonomski izvori za kanadsku zapadnu obalu.

Biologija riba je neobična. Neke vrste se mrijeste samo jedanput, druge svake 2 ili 4 godine u uzvodnom dijelu vodotoka, nakon života u moru. Mrijeste se uvijek na istom mjestu u rijeci, jezeru ili vodotoku, a vrlo rijetko traže drugo mjesto. Ukoliko je lososima prolaz blokiran te godine kada se mrijeste, neće se moći mrijestiti, pa je riblji fond od te godine zauvijek izgubljen. To je bio samo jedan problem, a drugi je bio pretjerano izlovljavanje u kojem su sudjelovale obje nacije (Kanađani i Amerikanci).

U potrazi za lijekom, trebalo je uvjeriti ribare i političare za potrebom međunarodne suradnje u pronalaženju novih rješenja za uklanjanje ovog problema. Malo se znalo tih godina o životu riba, o upravljanju izlovom, a još manje o utjecaju toka rijeke na migraciju riba. Također svjetski ratovi ali i ekonomska kriza tridesetih godina prošlog stoljeća pridonijeli su odgodi rješavanju ovog problema. Početkom četrdesetih godina inženjeri su predložili izgradnju posebnih “ribljih putova” u kanjonu. Bilo je potrebno izgraditi odnosno prokopati tunele kroz odronjeno kamenje kako bi tijekom niskog vodostaja bio omogućen protok vode. Ovaj slučaj o ugrozi okoliša je vrijedna informacija i upozorenje kako je potrebno kontrolirati velika gradilišta da se ovakve štete ne ponove.


14

Kemijska industrija

Trovanje živom u Minamata zaljevu – Japan (1950.) putem hranidbenog lanca (metilživa CH3Hg). Pedesetih godina prošlog stoljeća shvatila se opasnost od katastrofalnog trovanja hrane toksičnim kemikalijama. Ime grada gdje se to dogodilo danas je sinonim za ovu vrstu opasnosti i bolesti: Minamata bolest. Kemijska tvornica ispuštala je otpadne vode u obližnji Minamata zaljev (slika 1.11.).

Slika 1.11. Otok Kyushu označeno mjesto Minamata U tvornici su se proizvodile različite kemikalije, a najviše acetaldehid i vinilklorid koji se koristio pri proizvodnji PVC mase. U proizvodnom procesu živa se koristila kao katalizator. Procjenjuje se da je zbog naglog povećanja proizvodnje od 1952. do 1960. godine u Minamata zaljev ispušteno oko 81,3 tone žive, prije nego li je zabranjeno ispuštanje toksičnog otpada u zaljev. Otpadne tvari ove tvornice taložile su se u vodi do sedimenta na morskom dnu. Otpad je sadržavao mnoge potencijalno štetne elemente i spojeve. Njihovo razrjeđivanje i odlaganje u more je tada bio prihvatljiv način odlaganja. Međutim, Minamata zaljev je bio prirodni sedimentacijski bazen, u kojem se otpad zadržavao umjesto da strujanjem vode ode u otvoreno more. Jedan od toksina, živa, započeo je lanac kemijskih promjena. Zbog biosorpcije i bioakumulacije, do tada vrlo rijetki spoj, metilživa, počela se nagomilavati u ribljem mesu, ali to nažalost nije sve. Na vrhu hranidbenog lanca nalazila se ljudska zajednica kojoj su plodovi mora bili glavni izvor hrane. Oboljeli od najtežeg oblika bolesti nesigurno su hodali poput pijanaca. Njihovo je vidno polje bilo suženo te su vidjeli kao da gledaju kroz tunel. Gubili su sluh i govor, koji je bio nerazgovjetan i spor. Bili su nekoordinirani i imali mentalne smetnje, od stanja uzbuđenosti, depresije, divljeg bijesa, do gubitka sjećanja.Nakon što je napravljena detaljna karta zaljeva te na određenim lokacijama određivana koncentracija žive u sedimentu, pristupilo se ispumpavanju sedimenta s dna i odlaganje na površinu tla u zaljevu. Od tada se redovito ispituje koncentracija žive u ribljem tkivu, ali nije uočen porast koncentracije.

Ovo je bila prva publicirana nesreća modernog doba, u kojoj je opća populacija bila izložena epidemiji koju je izazvala bioakumulacija industrijskog otpada. Ovakva epidemija se može izbjeći primjenom odgovarajućih standarda pri ispuštanju industrijskih otpadnih tvari i praćenjem stanja okoliša kako bi se provjerilo da ne postoji nakupljanje toksina u hrani lokalnog stanovništva. Rudnici - površinski kopovi

U rudokopima se javlja problem odlaganja jalovine i kamenja (podzemni, površinski kopovi, kontinentalni i priobalni rudnici).Ukoliko se otpad iz priobalnih rudnika odlaže u more, nastaju četiri izravne opasnosti: zamućenje vode, izravnavanje morskog dna, onečišćenje vode i ugibanje riba. Dolazi i do promjena u kemijskom sastavu, ali i biološkom


15

lancu. Mijenja se stanište i ekosustav, smanjuje se biološka produktivnost i mijenja se hranidbeni lanac. I u konačnici, nastaju sociološke posljedice. Korisnici vodnih dobara gube svoje prihode (npr. profesionalni ribari), svoju mogućnost preživljavanja (ukoliko su ovisni o tom izvoru hrane) i svoje mjesto za rekreaciju (stanovnici obližnjeg grada).

Island Copper, Kanada (1960-tih godina) doneseni propisi o zaštiti okoliša. Island Copper je jedan od četrdesetak površinskih rudnika koji postoje u svijetu. Neki se nalaze zaista u moru, dok mnogi najčešće uz samu morsku obalu. Ovaj rudnik je bio prvi ovog tipa, od kojeg je vladina agencija za zaštitu okoliša zatražila procjenu mogućeg utjecaja na okoliš. Uvedene su i druge kontrole zaštite okoliša poput ograničenja koncentracije onečistila (od rude do kemikalija) u otpadnom toku i njegova brzina ispuštanja, projektiranje i odabir lokacije za odlaganje jalovine, te uređenje okoliša nakon zatvaranja rudokopa, a gdje se tijekom eksploatacije odlagalo rudničko kamenje.

Prva dva zahtjeva su bila jedinstvena u ono vrijeme, ali kojih su se kasnije pridržavali i drugi rudnici. Treći zahtjev je bio desetljećima poznat jer se primjenjivao u rudnicima koji su se nalazili na kontinentu. Za ovaj rudnik se može reći da nakon dugogodišnjeg kontinuiranog praćenja posjeduje najbolje dokumentiranu studiju o utjecaju na okoliš, koja je dostupna, pouzdana, a podatci su objavljivani u brojnim znanstvenim časopisima. Ustanovljeno je da se značajno smanjuje štetni utjecaj jalovine na okoliš ukoliko se ona ispušta izravno u dublji sloj vode, ispod osvijetljene površine, gdje se uobičajeno odvija fotosintetska aktivnost. Još se i danas redovito prate zakonom propisani pokazatelji koji ukazuju na moguće onečišćenje i rezultati analiza su zadovoljavajući. Tvornica celuloze i papira

Annat Point – Škotska (1961.) je izradila projekt zaštite fjorda. Tijekom proizvodnje celuloze i papira nastaju brojne otpadne tvari organskog i anorganskog porijekla (biološki materijal, klorirani ugljikovodici, sredstva za izbjeljivanje na osnovi cinka, visoka vrijednost biokemijske potrošnje kisika – vrijednost BPK). Kao rezultat toga otpad iz tvornice celuloze i papira trostruko je opasan za okoliš. Otpad može otrovati, ugušiti i obogatiti okoliš organskom tvari, što omogućava prekomjerni bakterijski rast.

Onečišćivanje prirodnih voda potječe od brojnih kemikalija koje se koriste tijekom procesa proizvodnje. Tako se sredstva za izbjeljivanje na osnovi cinka, čija koncentracija može biti i vrlo niska u izlaznom toku (efluentu) nakupljaju u školjkama. Zbog bioakumulacije školjke u početku pobolijevaju, a zatim i ugibaju. Tijekom kloriranja organskih tvari mogu nastati smrtonosni i karcinogeni dioksini i poliaromatski ugljikovodici (PAH-ovi) koji također dospijevaju u otpadnu vodu. U recipijentu nastaju anaerobni uvjeti zbog karakterističnog sastava otpadne vode ove vrste proizvodnje. Planktoni i bentos odumiru zbog visoke vrijednosti BPK, odnosno intenzivne potrošnje otopljenog kisika pri biološkoj oksidaciji organske tvari u vodotoku. Osim toga, tijekom procesa i nešto celuloznih vlakana dospijeva u otpadnu vodu, što također remeti normalni vodni život.

Tvornica celuloze i papira smještena je u gradiću Annat Point na sjevernom dijelu tjesnaca između dva jezera Loch Linne i Loch Elli (slika 1.12.).

Slika 1.12. Fotografski snimak Annat Pointa na sjevernom dijelu


16

tjesnaca između jezera Loch Linne i Loch Elli Ovo područje je oduvijek bilo poznato po ribolovu na brojnim rijekama, a u blizini se nalazi i povijesno značajni Great Glen, gdje se od davnina proizvodi poznati škotski viski. Unutar tjesnaca vlada povratno strujanje vode zbog visokih amplituda morskih valova. Zbog toga su stručnjaci u tvornici izmjenom nekih parametara, poput opterećenja celuloznim vlaknima te promjenom brzine ispuštanja otpadne vode, mogli smanjiti izravni udar na okolne prijemnike. Tako se vremenom oko mjesta ulijevanja otpadnih voda pri dnu prijemnika razvio novi anaerobni ekosustav pod nazivom sulfuretum (celuloza se razgrađuje u jednostavnije ugljikove spojeve, sulfit se reducira u sulfid) koji je prekriven bakterijskim slojem gdje dominiraju sulfid oksidirajuće bakterije iz roda Beggiatoa koje štite gornji stupac vode gdje i dalje vladaju aerobni uvjeti života. Ovo je prvi slučaj da su ljudi svjesno stvorili sulfuretum i na taj način zaštitili okoliš. Do tada su bili poznati samo prirodni sulfuretumi. Gradska kanalizacija

Grad Victoria u Kanadi (1966.), urbano središte s oko 200.000 stanovnika, susreo se s problemom onečišćenja obalnog mora s koliformnim bakterijama zbog ispuštanja kanalizacijske vode. Kanalizacijske otpadne vode su se nakon prvog stupnja obrade izravno ispuštale u obližnji zaljev (slika 1.13. – zaljev označen s brojkom 7) uz pretpostavku da će razrjeđivanje s morskom vodom riješiti problem velike koncentracije koliformnih bakterija.

Slika 1.13. Prikaz satelitskg snimka gradskog područja

Vremenom se ustanovilo da su se pojavile brojne infekcije kod kupača i brojne plaže su morale biti zatvorene, odnosno, postavljene su oznake zabrane kupanja u moru. Protesti stanovništva ponukali su gradsku upravu da rekonstruira ispusne cijevi za odvodnju kanalizacijske vode (jer osim velikog broja koliformnih bakterija bio je prisutan i povećani sadržaj hranjivih soli – soli dušika i fosfata). Osim toga, donesena je odluka da se redovito ispituje kakvoća morske vode u zaljevu, kako bi se preduhitrile moguće infekcije. Izlijevanje nafte na morsku površinu

Portsal je mali ribarski gradić na atraktivnom dijelu obale Bretanje u Francuskoj (slika 1.14.). Ovdje je postojala duga tradicija uzgoja školjaka (dagnje i kamenice) i ostalih plodova mora.

Slika 1.14. Karta Francuske i mjesto označeno crvenom točkom gdje je došlo do izlijevanja nafte


17

U uvučenoj obali se nalaze tri plitke potopljene doline koje 7-metarska plima dva puta dnevno puni odnosno prazni, a koja je bila onečišćena naftom. Ovaj dio obale je inače poznato rekreacijsko područje koje rado posjećuju brojni turisti, promatrači ptica i lovci. U blizini Portsala su brojne bijele pješčane plaže prepune školjaka i drugih morskih bića, kao i slane močvare u kojima živi riblji mlađ.

Tanker Amoco Cadiz se u ožujku 1978. nasukao na podvodni greben oko 2 km od obale. Iako su vjetar i valovi raspršili naftu, ipak je velika količina dospjela do obale zbog izrazite promjene plime i oseke. Onečišćeno je bilo 300 km obale. Francuzi su pokrenuli operaciju čišćenja obale u kojoj su sudjelovali i brojni volonteri, a Britanci su sudjelovali na morskoj pučini. Međutim, tek 1988. polako su počele nestajati naslage nafte s pješčane i šljunčane obale. Ovo je dobro dokumentirana studija o utjecaju na okoliš (riblji fond, zemljišno stanište) o procjeni trenutne onečišćenosti, o tehnikama uklanjanja nafte s površina mora i obale, o okvirima koje su postavile brojne institucije i o međunarodnoj suradnji.

Treba znati da su se nakon ovog slučaja i dalje povremeno pojavljivala izlijevanja nafte po morskoj površini. Tijekom Zaljevskog rata 1991. (Irak napao Kuvajt) su naftni terminali uništavani i nafta je dospjela u more. Zatim se 2002. godine dogodila havarija tankera Prestige tijekom olujnog nevremena. Obala Galicije u Španjolskoj je bila onečišćena naftom. Ova dva slučaja su novijeg datuma, pa još ne postoje potpuno dokumentirana izvješća o ovim slučajevima. Ispuštanje otrovnog plina u atmosferu

U Bhopalu, Indija (1984.) je otrovni plin metil-izocijanat iz tvornice pesticida dospio u zrak zbog neispravnog ventila na spremniku. Odmah je umrlo 2500 ljudi a 250.000 ljudi je akutno ili kronično oboljelo. Gradske hitne službe, bolnice i policija su u vrlo teškim uvjetima spašavali stanovništvo. Nije bilo potpore stranih zemalja s iskustvom o ovakvom slučaju ispuštanja opasne tvari u okoliš. Tvornica pesticida je bila u 50%-tnom vlasništvu američke multinacionalne kompanije Union Carbide. Nesreća se dogodila iza ponoći, tlak je u spremniku rastao, sigurnosni ventil nije izdržao i pojavio se bijeli oblak metil-izocijanata u okolnoj atmosferi (slika 1.15.). Do jutra je bijeli oblak nestao iz grada, ostavivši iza sebe mrtve i ostale žrtve. Mnoge žrtve su bile uhvaćene u spavanju, drugi su se budili i žurili ulicama na posao pri čemu su bili izloženi otrovnom plinu. U cijeloj toj situaciji ipak je bilo i herojstva. Jedan otpravnik vlakova je bio priseban i telegrafirao je upozorenje da se svi vlakovi zaustave i ne ulaze u grad. Timovi kriminalista su počeli istraživanja ali i grupa iz Union Carbida. Došlo je odmah i do ozbiljnih nesuglasica oko sastava ispuštenog plina, njegovoj toksičnosti, medicinskim simptomima, dijagnostici i protuotrovu.

Slika 1.15. Fotografski snimak tvornice pesticida Union Carbide


18

Godine 1986. počinje proces u SAD-u. Početno saslušanje je trebalo odrediti da li će se suđenje voditi u SAD-u ili u Indiji, tko je odgovoran za projektiranje tvornice, dostupnost informacija i usmenih dokaza (na Hindu jeziku). Konačno 1987. počinje suđenje u Indiji. Proces je bio vrlo spor pa su se brojni pojedinci odlučili na isplatu štete u izvansudskoj nagodbi. Posljedica toga je bila da mnoge korisne informacije nisu dospjele u javnost. Vjerojatno nikada neće biti poznat dugoročni utjecaj na zdravlje ljudi kao i na poljoprivredu. Ispuštanje radioaktivnih tvari u atmosferu

Slučaj koji se dogodio u Černobilu je značajan jer je to najveće pojedinačno ispuštanje radioaktivnog materijala u okoliš. Radioaktivnost je mnogo opasnija nego što je bila kemijska reaktivnost u Bhopalu. Radioaktivne tvari su karcinogene i mutagene, prisutne su dugo u okolišu jer kruže između tla, vode, hrane i ljudi pa generacijama mogu izazivati karcinom i malformacije u novorođenčadi. Nesreća se dogodila u zemlji (bivši SSSR) koja je poznata po sporom izvješćivanju o katastrofama, pa oko 2 tjedna druge zemlje nisu imale informaciju o nesreći u Černobilu (slika 1.16.).

Slika 1.16. Prikaz položaja Ukrajine na geografskoj karti Europe Kompleks nuklearne elektrane se nalazi na sjeveru Ukrajine u Černobilu. Dan prije eksplozije 25. travnja 1986. elektroinženjeri su ispitivali reaktor br. 4, kako bi utvrdili kapacitet sigurnosnog sustava. Dizajn elektrane i sustav upravljanja dopuštao je djelatnicima da krše sigurnosnu proceduru uključujući i isključivanje kontole kao i druge nepropisne radnje. Nisu ipravno proveli ispitivanje i počeli su seriju ponavljanja ispitivanja reaktora koji nije bio u stabilnim uvjetima, te je nedugo zatim došlo do eksplozije. Vodena para od velike količine iznenada zagrijane rashladne vode, nekoliko tona gorućeg grafita i više od 30 različitih radionuklida izbilo je kroz krov zgrade. Radioaktivni oblak se digao nekoliko kilometara u visinu. Nakon eksplozije reaktor je bio bez kontrole, te je ispuštao različitu mješavinu radionuklida daljnjih 10 dana. Zamijenjena je dotadašnja konvencionalna praksa hlađenja vodom i preplavljivanjem s prekrivanjem masom bora, dolomita, gline, pijeska i olova uz vanjski sloj betonskog sloja. Dušik kao sredstvo za hlađenje injekitirano je 5. svibnja, zbog naknadne pojave radioaktivnosti i povećanja temperature oko mjesta gdje je reaktor eksplodirao.

U toj nesreći odmah je poginulo 30 ljudi, 200 je dospjelo u bolnicu, a 125.000 ljudi raseljeno. Radioaktivna prašina prekrila je cijelu Europu. Naknadno je ustanovljeno da je umrlo 300.000 ljudi. Procjenjeno je da će od posljedice radioaktivnog zračenja biti više oboljenja od karcinoma. 10 godina kasnije je registrirano 9.000.000 žrtava zbog ove havarije. Utjecaj višestrukih i raspršenih izvora onečišćenja na okoliš – kisele kiše


19

Ako se pojedinačni utjecaji spoje u klaster, oni stvaraju problem višestrukog i raspršenog utjecaja na okoliš. To se odnosi na zatvorena more poput Mediteranskog mora, zaljeva Chesapeake (SAD), te Iranskog zaljeva koji su izloženi i jednom i drugom utjecaju. Problemi se javljaju i kod mnogih delta rijeka ali u manjoj mjeri. Prvi dio međusobne suradnje zemalja leži u kontroli pojedinačnih točkastih ispusta onečišćenja koji su se umnožili, moguće i međusobno djelovali, stvarajući regionalni problem. Drugi dio se odnosi na potrebu kontrole primjene niske koncentracije raspršenog onečišćenja poput pesticida za zaprašivanje šuma ili pretjerana uporaba mineralnih gnojiva na poljoprivrednim površinama. Prvi od takvih slučajeva je onečišćenje okoliša pesticidom diklor-difenil trikloretan (DDT) u Sjevernoj Americi. Međutim u ovom poglavlju će se razmatrati utjecaj kiselih kiša na okoliš.

Kisele kiše nastaju dospijećem plinova dušikovih oksida i sumpor(IV)oksida u atmosferu i reakcijom s vodenom parom poput dimnih plinova iz topionica, klasično loženje ugljenom, ispušnih plinova automobila (slika 1.17.). Rasprostiranje kiselih kiša je ovisno o meteorološkim uvjetima. Kiše na istočnoj obali Sjeverne Amerike su često ispod pH-vrijednosti 5. U gradu Kane u državi Pensylvania jednom je padala kiša kisela poput octa (pH 2,7), a u gradu Wheeling u Zapadnoj Virginiji poput limunovog soka (pH 1,5). Kiselina u baterijama je pH =1. Najveći broj živih bića umire pri pH = 3.

Slika 1.17. Glavna područja kiselih kiša u svijetu

Kisele kiše negativno utječu na šumsku vegetaciju osobito na crnogoricu, zatim na vode

rijeka i jezera, uništavajući u njima floru i faunu, te poljoprivredne površine. Također nepovratno oštećuju brojne spomenike kulture (sve što je građeno od vapnenca, a to su uglavnom sve povijesne građevine).

Pojava tropske alge Caulerpa taxifolia Alga Caulerpa taxifolia je 1984. je prvi put zapažena u moru ispred Oceanografskog

muzeja u Monacu (slika 1.18.). Zatim se počela širiti i slijedećih godina je otkrivena na brojnim drugim mjestima, kako slijedi:1990. – na području Toulona, 1992. – veći dio francuske Azurne obale, u Livornu u Italiji, obale Balearskog otočja u Španjolskoj, 1993. – na Siciliji,1994. – širi se francuskom i talijanskom obalom a 1995. – otkrivena u starogradskoj uvali, u uvali u Malinskoj na otoku Krku, u Punti Križa na otoku Cresu. Alga Caulerpa taxifolia je 1984. u Sredozemlju bila na površini 1 m2, a zatim šireći se zauzimala sve veću površinu, koja je1990. iznosila 30 hektara, 1992. procijenjena je površina od 470 hektara, 1993. površina od 1300 hektara, 1995. i dalje se širi na 1500 hektara.

Nažalost, za sada još nije zabilježen prestanak širenja ove alge, niti nestanak s područja gdje se pojavila. Nova naselja algi zapažaju se na dubinama između 1 i 14 m. Prvo se šire uzduž obale, a potom u veće dubine. Šire se hidrodinamičkim prijenosom (morskim strujama) manjih komadića alge. U rod algi Caulerpa ubraja se više od 100 vrsta. One žive u umjerenim i posebno u tropskim morima. Zelena alga Caulerpa taxifolia široko je rasprostranjena u tropskim morima. Neke vrste ovog roda algi (C. prolifera, C. olivieri, C. scalpelliformis) dospjele su iz Crvenog mora kroz Gibraltar u Sredozemlje. Međutim, dokazano je da C. taxifolia nije ušla kroz Gibraltar niti kroz Sueski kanal, jer ova vrsta nije uočena na tim mjestima. Pretpostavka dospijeća alge jest bacanje sadržaja tropskog akvarija u more. Širenje


20

alge je posljedica odsutnosti prirodnih neprijatelja, koji uobičajeno ograničavaju njezino širenje. U tropima je dužina lista alge 2-15 cm, a u Sredozemlju do 60 cm. Razlog tome je velika prozirnost mora, što omogućava pristup sunčevoj svjetlosti te pogodna temperatura mora.

Slika 1.18. Fotografski snimak alge Caulerpa taxifolia (lijevo)

i alge Caulerpa racemosa (desno)

Prisutnost alge Caulerpa taxifolia utječe na smanjenje broja vrsti drugih algi kao i na smanjenje biološke raznolikosti. Uočen je manji broj jedinki mekušaca, glavonožaca i mnogočetinaša. Osim toga je ustanovljeno da alga sintetizira toksične tvari, od kojih je identificirano 9, a među njima je KAULERPENIN karakterističan. Zbog tih toksičnih metabolita dva glavna biljojeda u Sredozemlju, riba salpa i jestivi morski ježinac, izbjegavaju ovu algu. Kontrola širenja alge uključuje: sprječavanje nove pojave onečišćenja iz privatnih i javnih akvarija; sprječavanje raznošenja alge sa sadašnjih lokacija; zabranu prodaje, kupnje i transport alge; upozoravanje mornara na obavezno pranje sidra pri njihovom izvlačenju; zabranu sidrenja u onečišćenim područjima ali i ribarenje; obaviještavanje klubova ronilaca o potrebi praćenja širenja alge Caulerpa taxifolia. Godine 2001. u Dubrovniku je uočena i pojava alge Caulerpa racemosa, koja je još toksičnija od C. taxifolia. 1.4. ZAKON O ZAŠTITI OKOLIŠA Nakon brojnih dobro dokumentiranih istraživanja, razvijene zemlje su na svjevernoj hemisferi u zadnjoj dekadi 20. stoljeća došle do zaključka da je potrebno donijeti zakon na nacionalnoj razini u cilju održivog razvoja i očuvanja okliša. Toj aktivnosti se priključila i Republika Hrvatska.

Zakon o zaštiti okoliša je krovni zakon kojeg je donio Zastupnički dom Sabora Republike Hrvatske a stupio je na snagu 11. studenog 1994. godine a izmjene su usvojene 2007. godine (Narodne novine 110/07). Ovim se Zakonom uređuje zaštita okoliša u cilju smanjivanja rizika za život i zdravlje ljudi, osiguravanja i poboljšavanja kakvoće življenja za dobrobit sadašnjih i budućih generacija. Zaštitom okoliša osigurava se cjelovito očuvanje kakvoće okoliša, očuvanje prirodnih zajednica, racionalno korištenje prirodnih izvora i energije na najpovoljniji način za okoliš, kao osnovni uvjet zdravog i održivog razvoja. U daljnjem će tekstu biti ukratko opisana pojedina poglavlja ovog Zakona. I. Opće odredbe U ovom poglavlju su navedeni pojmovi koji se najčešće koriste i njihova pojašnjenja poput pojmova, kakvoća okoliša, emisija, imisija, okoliš, onečišćivač, onečišćavanje okoliša, šteta u okolišu i još šezdesetak pojmova značajnih za zaštitu okoliša.

II. Načela zaštite okoliša


21

Zaštita okoliša temelji se na poštovanju načela međunarodnog prava zaštite okoliša, općeprihvaćenih načela, uvažavanju znanstvenih spoznaja i najbolje svjetske prakse. Neka od najznačajnijih su: načelo održivog razvitka (čl. 8); načelo predostrožnosti – štedljivo koristiti sastavnice okoliša (čl. 9); načela očuvanja vrijednosti prirodnih dobara, biološke raznolikosti i krajobraza (čl. 10); načela zamjene ili nadomještanja drugim zahvatom (čl. 11); načelo onečišćivač plaća (čl. 15). III. Sastavnice okoliša i utjecaji opterećenje

U sastavnice okoliša se ubrajaju tlo i zemljina kora, šumsko područje, zrak, voda, more i obalno područje. Svaka od ovih sastavnica može biti izložena različitim izvorima onečišćenja, koji se iskazuju opterećenjem. Zaštita od utjecaja opterećenja na okoliš odnosi si se i na sljedeće izvore: genetski modificirani organizmi, buka, ionizirajuće zračenje, kemikalije, svjetlosno onečišćenje i otpad. IV. Subjekti zaštite okoliša

Održivi razvitak i zaštitu okoliša osiguravaju Hrvatski sabor, Vlada RH, ministarstva i druga nadležna tijela državne uprave, županije i Grad Zagreb,veliki gradovi, gradovi i općine, Agencija za zaštitu okoliša i Fond za zaštitu okoliša i energetsku učinkovitost, pravne osobe s javnim ovlastima, osobe ovlaštene za stručne poslove zaštite okoliša, pravne i fizičke osobe odgovorne za onečišćavanje okoliša pravne i fizičke osobe koje obavljaju gospodarsku djelatnost, udruge civilnog društva koje djeluju na području zaštite okoliša, građani kao pojedinci, njihove skupine, udruge i organizacije. V. Dokumenti održivog razvitka i zaštite okoliša

U dokumente održivog razvitka ubrajaju se strategije, planovi, programi i izvješća vezana uz zaštitu okoliša. Strategija održivog razvitka RH bavi se dugoročnim usmjeravanjem gospodarskog i socijalnog razvitka, te zaštite okoliša.Sstrategije izrađuje Ministarstvo, a na prijedlog Vlade usvaja Sabor. Plan zaštite okoliša RH određuje prioritetne ciljeve zaštite okoliša u Državi i donosi se za razdoblje od osam godina. Plan izrađuje Ministarstvo, a donosi ga Vlada. Program zaštite okoliša sadrži uvjete i mjere zaštite okoliša, prioritetne mjere zaštite okoliša. Program donose predstavnička tijela županije, Grada Zagreba i velikih gradova, uz prethodnu suglasnost Ministarstva. Izvješće o stanju okoliša na državnoj razini Vladi predlaže Ministarstvo, a Vlada ga podnosi Saboru. VI. Instrumenti zaštite okoliša

U instrumente zaštite okoliša ubrajaju se standardi kakvoće okoliša i tehnički standardi zaštite okoliša a koji su propisani graničnim vrijednostima pokazatelja za pojedine sastavnice okoliša i za osobito vrijedne, osjetljive ili ugrožene područne cjeline. Neophodna je strateška procjena utjecaja plana i programa na okoliš i obveza provedbe. Prije provedbe bilo kakvog zahvata neophodna je procjena utjecaja zahvata na okoliš, te utvrđivanje objedinjenih uvjeta zaštite okoliša za postrojenje koje se planira postaviti.

VII. Praćenje stanja okoliša

Obuhvaća praćenje: imisija odnosno kakvoće zraka, vode, mora, tla, biljnog i životinjskog svijeta, te iskorištavanja mineralnih sirovina; onečišćenja okoliša odnosno emisija u okoliš; utjecaja onečišćavanja okoliša na zdravlje ljudi; utjecaja važnih gospodarskih sektora na sastavnice okoliša; prirodnih pojava (meteoroloških, hidroloških, erozijskih seizmoloških, radioloških i drugih geofizikalnih pojava; stanja očuvanosti prirode; drugih pojava koje utječu na stanje okoliša. VIII. Informacijski sustav zaštite okoliša


22

Svrha ovakvog sustava je cjelovito upravljanje zaštitom okoliša i/ili pojedini, te sastavnicama okoliša odnosno opterećenjima, te izrada i praćenje provedbe dokumenata održivog razvitka i zaštite okoliša. IX. Informiranje javnosti, sudjelovanje jvnosti i zainteresirane javnosti te pristup pravosuđu u

pitanjima okoliša Pravo pristupa informacijama o okolišu odnosi se na svaku informaciju u pisanom,

vizualnom, slušnom, elektroničkom ili bilo kojem drugom dostupnom obliku. X. Odgovornost za štetu u okolišu

Tvrtka koja obavlja opasnu djelatnost odgovara po načelu objektivne odgovornosti. Tvrtka za prouzročenu štetu ili prijeteću opasnost odgovara po načelu dokazane krivnje ili dokazanog nemarnog djelovanja. Za onečišćavanje okoliša u skladu sa zakonom odgovoran je i operater koji je nezakonitim ili nepravilnim djelovanjem u tvrtki omogućio ili dopustio onečišćavanje okoliša. Tvrtka je obvezna sanirati štetu u okolišu i otkloniti prijeteću opasnost od štete nanesenu opasnim djelatnostima.

XI. Financiranje zaštite okoliša

Sredstva za financiranje zaštite okoliša osiguravaju se u državnom proračunu, proračunima jedinice lokalne samouprave i jedinice područne (regionalne) samouprave, Fondu za zaštitu okoliša i energetsku učinkovitost, te iz drugih izvora prema odredbama ovoga Zakona. Sredstva za financiranje zaštite okoliša mogu se osigurati i iz privatnih izvora kroz sustav koncesija, javnog privatnog partnerstva i drugih odgovarajućih modela takvog financiranja.

Programi zaštite okoliša mogu se financirati iz donacije, krediti, sredstva međunarodne pomoći, sredstva stranih ulaganja namijenjenih za zaštitu okoliša, programa i fondova Europske unije, Ujedinjenih naroda i međunarodnih organizacija. Sredstva za financiranje zaštite okoliša koriste se za očuvanje, zaštitu i unapređivanje stanja okoliša u skladu sa strategijama i programima. XII. Elementi opće politike zaštite okoliša

U elemente opće politike zaštite okoliša uključeno je sljedeće: znak zaštite okoliša, priznanja i nagrade, obveze proizvođača vezano za označavanje proizvoda i ambalaže, zaštita potrošača, odgoj i obrazovanje za zaštitu okoliša i održivi razvitak, te ekonomski poticaji. XIII. Nadzor

Upravni nadzor nad provedbom ovoga Zakona i propisa donesenih na temelju ovoga Zakona obavlja Ministarstvo. Inspekcijski nadzor nad primjenom ovoga Zakona i propisa donesenih na temelju ovoga Zakona provode državni službenici Ministarstva. XIV. Kaznene odredbe

U ovom poglavlju su propisane novčane kazne u različitim visinama (od 10.000 kn do 900.000 kn) ukoliko se ne postupa po ovom Zakonu i nemarno odnosi prema okolišu. XV. Prijelazne i završne odredbe ovog zakona regulirane su od članka 224. do članka 239. Literatura uz Poglavlje 1:

1. Barrow C.J., Developing the Environment: Problems & Management, Longman Scientific˛Techical, Essex, 1995.

2. Council of Europe, Recent Demographic Developments in Europe and North America, Strasbourg, 1992.

3. Council of Europe, Recent Demographic Developments in Europe, Strasbourg, 1994.


23

4. Eurostat, Demographic Statistics 1995, Office for Official Publication of the European Cornomunities, Luxemburg, 1995.

5. Ellis D., Environments at risk,- case histories of impact assessment, Springer-Verlag, Berlin, 1989. 6. Klanac, L. (1995), Demografsko starenje i sustav mirovinskogosiguranja u Hrvatskoj, referat,

Znanstveni skup Demografska kretanja u Hrvatskoj udrugoj polovici XX. stoljeća, HAZU, lipanj 1995. 7. Raven P.H., Berg L.R., Johnson, G.B., Environment 2nd Ed., Environment 2nd Ed., Saunders College

Publishing, Fort Worth, 1993. 8. Wertheimer-Baletić A., Specifičnosti demografskog razvitka u Hrvatskoj i njegove socio-ekonomske

implikacije, Rev. sac. polit., god. III, br. 3·4, str. 251-258, Zagreb 1996. 9. Zakon o zaštiti okoliša, službeno glasilo Republike Hrvatske, Narodne novine, NN 082/1994 i NN

110/2007.

Pojmovnik 1. poglavlja:

Okoliš: prirodno okruženje organizama i njihovih zajednica uključivo i čovjeka, koje omogućuje njihovo postojanje i njihov daljnji razvoj: zrak, vode, tlo, zemljina kamena kora, energija te materijalna dobra i kulturna baština kao dio okruženja kojeg je stvorio čovjek; svi u svojoj raznolikosti i ukupnosti uzajamnog djelovanja. Kakvoća okoliša: stanje okoliša i/ili sastavnica okoliša, koje je posljedica djelovanja prirodnih pojava i/ili ljudskog djelovanja, izraženo morfološkim, fizikalnim, kemijskim, biološkim, estetskim i drugim pokazateljima. Onečišćivač: svaka fizička i pravna osoba, koja posrednim ili neposrednim djelovanjem, ili propuštanjem djelovanja uzrokuje onečišćivanje okoliša. Onečišćavanje okoliša: promjena stanja okoliša koja je posljedica nedozvoljene emisije i/ili drugog štetnog djelovanja, ili izostanaka potrebnog djelovanja, ili utjecaja zahvata koji može promijeniti kakvoću okoliša. Onečišćujuća tvar: tvar ili skupina tvari, koje zbog svojih svojstava, količine i unošenja u okoliš, odnosno u pojedine sastavnice okoliša, mogu štetno utjecati na zdravlje ljudi, biljni i/ili životinjski svijet, odnosno biološku i krajobraznu raznolikost. Opasna tvar: propisom određena tvar, mješavina ili pripravak, koji je u postrojenju prisutan kao sirovina, proizvod, nusproizvod ostatak ili među proizvod, uključujući i one tvari za koje se može pretpostaviti da mogu nastati u slučaju nesreće. Opterećenja: emisije tvari i njihovih pripravaka, fizikalni i biološki činitelji (energija, buka, toplina, svjetlost i ostalo) te djelatnosti koje ugrožavaju ili bi mogle ugrožavati sastavnice okoliša. Opterećivanje okoliša: svaki zahvat ili posljedica utjecaja zahvata u okoliš, ili utjecaj na okoliš određene aktivnosti, koja sama ili povezana s drugim aktivnostima, može izazvati ili je mogla izazvati onečišćivanje okoliša, smanjenje kakvoće okoliša, štetu u okolišu, rizik po okoliš ili korištenje okoliša. Sastavnice okoliša: zrak, voda, more, tlo, krajobraz, biljni i životinjski svijet te zemljina kamena kora. Šteta u okolišu: svaka šteta nanesena:– biljnim i/ili životinjskim vrstama i njihovim staništima te krajobraznim strukturama, a koja ima bitan nepovoljan utjecaj na postizanje ili održavanje povoljnog stanja vrste ili stanišnog tipa i kakvoće krajobraza. Bitnost nepovoljnog utjecaja procjenjuje se u odnosu na izvorno stanje, uzimajući u obzir mjerila propisana posebnim propisima. Štetna tvar: tvar štetna za ljudsko zdravlje ili okoliš, s dokazanim akutnim i kroničnim toksičnim učincima, vrlo nadražujuća, kancerogena, mutagena, nagrizajuća, zapaljiva i eksplozivna tvar, ili tvar koja u određenoj dozi i/ili koncentraciji ima takva svojstva, Učinci industrijske i velike nesreće: sve neposredne ili posredne, trenutačne ili odgođene nepovoljne posljedice izazvane tim nesrećama na zdravlje i život ljudi, materijalna dobra i okoliš. Zaštita okoliša: skup odgovarajućih aktivnosti i mjera kojima je cilj sprječavanje opasnosti za okoliš, sprječavanje nastanka šteta i/ili onečišćivanja okoliša, smanjivanje i/ili otklanjanje šteta nanesenih okolišu te povrat okoliša u stanje prije nastanka štete.

2. Prirodne i otpadne vode

24

Poglavlje 2: PRIRODNE I OTPADNE VODE 2.1. PODJELA VODNOG OKOLIŠA

Vodeni okoliš se na osnovi fizikalno-kemijskih i mikrobioloških karakteristika može razvrstati u 4 grupe i to u slatkovodni okoliš ili kopnene površinske vode (rijeke, jezera i potoci), estuarijski okoliš ili boćate (brakične) vode, morski okoliš (mora, oceani, luke) i podzemne vode.

U slatkovodni okoliš ubrajaju se kopnene vode koje nisu u izravnoj vezi s morskom vodom. Limnologija je znanost koja proučava fizikalne, kemijske, biološke i geološke aspekte slatkovodnog okoliša, a mikrolimnologija proučava mikroorganizme u prirodnim vodama. Kaže se da postoje dvije vrste prirodnih voda i to tekućice u koje se ubrajaju izvori, rijeke i potoci te stajaćice u koje se ubrajaju jezera, bare, močvare. Izvori nastaju izbijanjem podzemne vode na površinu tla. Hladni izvori se napajaju snijegom ili ledom koji se otapa u planinama. Termalni izvori su topli ili vrući izvori koji nastaju oko vulkanskih područja ili izviru iz velikih dubina zemljine kore. Po kemijskom sastavu izvori mogu biti: sumporni, magnezijevi, kiselice i radioaktivni.

Potoci i rijeke se formiraju kada izvori dospijevaju na površinu, spajaju se s drugim izvorima vode tvoreći veću vodenu masu. Gibanjem vodene mase u koritima vodotoka dolazi do akumulacije brojnih anorganskih i organskih tvari kao i heterotrofne mikrobne populacije iz zemljišnog okoliša.

Jezera pripadaju grupi voda stajaćica ali ipak dinamičan okoliš stvara dotok i odtok vode, strujanje uzrokovano vjetrom i miješanje vode zbog temperaturnog gradijenta. Interakcija živih zajednica u jezeru je vrlo kompleksna. Znanstvenici smatraju da je jezero ekstremni okoliš zbog sunčevog zračenja, velike fluktuacije temperature i akumulacije toksičnih spojeva (npr. teški metali, pesticidi). Vode stajaćice karakterizira razvoj zona: plitki dio uz obalu, otvoreni dio daleko od obale gdje dopire sunčeva svjetlost i dno jezera gdje ne dopire svjetlost. U ljeti, zbog slabog gibanja vodene mase i jačeg prodora sunčeve svjetlosti zagrijava se površinski sloj vode, dok u dubljem sloju voda ostaje hladnija. Ova pojava zove se termalna stratifikacija vode (slika 2.1.). Nju karakterizira nastajanje tri sloja: epilimnion (površinski sloj), termoklina (granica koja sprječava miješanje tople i hladne vode) i hipolimnion (duboki hladni sloj vode). U jesen se površinska voda hladi i dolazi do miješanja vode pri čemu se razbija termoklina što rezultira podjednakom temperaturom vode po vertikalnom profilu jezera.

Temperatura vode / °C

Dubina / m0

5

10

15

20

5 10 15 20

EPILIMNION

TERMOKLINA

HIPOLIMNION

Slika 2.1. Grafički prikaz tvorbe termokline


25

Delta ili estuarijski okoliš je prijelazno područje između prirodne i morske vode. Delta je poluzatvoreni obalni dio vode (kao dio rijeke) koji se sastaje s morem. U delti su promjenjivi okolišni uvjeti zbog drastične promjene saliniteta na maloj udaljenosti, sezonskog dotoka prirodnih voda kao što su kiše ili otapanje snijega. Zbog velike mutnoće vode, prisutno je manje primarnih proizvođača kao što su fotoautotrofi (alge, cijanobakterije) a više je sekundarnih proizvođača (heterotrofa).

Morski okoliš je kompleksan kao i kod jezera, a znanstvena disciplina oceanografija proučava sve njegove aspekte. Osnovne ekološke značajke su da pokriva oko 70% površine Zemlje, duboko je i kontinuirano a ne razdvojeno kao kopno i kopnene vode. Oceani su povezani. Morska voda se stalno giba zbog vjetrova, prisutni su valovi različitih vrsta, te plima i oseka pod utjecajem Mjeseca i Sunca. Morska voda je slana i sadrži oko 35 g L-1 soli (kloridi, sulfati, bikarbonati, karbonati i bromidi te natrij, magnezij, kalcij i kalij).

Podzemne vode, kako i sam naziv govori, nalaze se u podzemnom dijelu na kopnu i tu se ubrajaju plitki i duboki vodonosnici (slika 2.2.).

Slika 2.2. Prikaz razine podzemne vode Od mikroorganizama, ukoliko ih ima, prisutne su bakterije i njihova aktivnost je mala zbog niske koncentracije organskih tvari. Značajne su za javnu vodoopskrbu. Ovisno o sastavu geoloških slojeva kroz koje prodire i dubini na kojoj se nalazi, voda na svom putu otapa više ili manje minerala. Zbog toga su podzemne vode tvrđe od površinskih voda. Nasuprot tome, padaline se svrstavaju u meke vode jer sadrže malo otopljenih mineralnih tvari. 2.2. UPORABA I KAVOĆA VODE

Ovisno o namjeni, vode se mogu uporabiti za piće u kućanstvu, u industriji (procesne, rashladne), za poljoprivredu i ribarstvo, te za rekreaciju i sport. Kakvoća vode za piće određena je Pravilnikom o zdravstvenoj ispravnosti vode za piće (NN 47/08.). U industriji se voda koristi u različite svrhe pa se i zahtjevi za kakvoćom industrijske vode razlikuju u odnosu na kakvoću vode za piće.

Vode za uporabu u industriji mogu se razvrstati u: a) procesne – ulazi u proizvodni proces kao sastavni dio proizvoda ili je značajna za

odvijanje procesa (otapanje reakcijskih smjesa, ispiranje, flotacija). b) rashladne – vode za izmjenjivače topline (specifični zahtjevi: niska temperatura, mala

tvrdoća, ne smiju biti korozivne i ne smiju sadržavati mikroorganizme jer se njihovim razvojem može smanjiti protok vode u cijevima i ujedno hlađenje).

c) energent – voda za pripremu pare u parogeneratorima (slika 2.3.) za proizvodne procese, za turbine u termoelektranama i nuklearnim elektranama.


26

Slika 2.3. Shematski prikaz parogeneratora

Uzorkovanje vode i analize

Svi uzorci voda kao što su podzemne, vode za piće, površinske, morska voda i otpadna voda obvezno se pune u odgovarajuće staklene boce koje je kemijski čisto a za mikrobiološku analizu u sterilne staklene boce manjeg ili većeg kapaciteta. Ukoliko je voda dezinficirana klorom, prije sterilizacije u boce treba dodati Na2S2O3 za vezanje prisutnog rezidualnog klora.

Uzorke vode iz rijeka, jezera, potoka i mora treba uzimati na udaljenosti od obale, 1 m ispod površine vode (zbog djelovanja ultraljubičastih zraka). Ovisno o istraživanju, uzorak uzeti i svakih daljnjih 5 m po vertikalnom profilu vodotoka, manji volumen vode zahvatiti izravnim uranjanjem odgovarajuće boce a ako se koriste plastična crijeva za uzorkovanje u duljem vremenskom razdoblju, pustiti vodu jedno vrijeme teći i onda puniti u odgovarajuće spremnike za uzorke.

Pravilnikom o zdravstvenoj ispravnosti vode za piće (NN 47/08) određuju se sljedeći mikrobiološki i fizikalno-kemijski pokazatelji: aerobne mezofilne bakterije pri 37 °C, aerobne mezofilne bakterije pri 22 °C, Escherichia coli, ukupni koliformi, crijevni enterokoki, te boja, miris, okus, temperatura, mutnoća, pH vrijednost, kloridi, amonijevi ioni, nitrati, nitriti, utrošak KMnO4 i vodljivost. 2.3. VODA ZA PIĆE

U prirodi ne postoji kemijski čista voda, kao što je već ranije rečeno, voda prolazi kroz tlo i

stijene i na svom putu otapa brojne minerale. Osim otopljenih tvari u vodi mogu biti prisutne i lebdeće tvari (različite vrste gline) koje uzrokuju zamućenje. Za pripremu vode za piće zahvaćaju se vode iz izvorišta (vrela, zdenci, rijeke, jezera, akumulacije) te ovisno o fizikalno-kemijskom sastavu odabire se i proces pripreme (pročišćavanja). U velikim vodoopskrbnim sustavima, ovisno o stupnju onečišćenosti vode, primjenjuju se postupci primarnog taloženja, filtracije, koagulacije, prozračivanja (aeracija) i dezinfekcije vode (slika 2.4.).


27

Slika 2.4. Shematski prikaz tijeka pripreme vode za piće Pravilnikom (NN 47/08.) su određene maksimalno dopuštene koncentracije aniona, kationa

i drugih spojeva, kao i broj te vrsta mikroorganizama u vodoopskrbnom sustavu (izvorište, spremnik, razvodna mreža). Prisutnost nitrata u vodocrpilištima i njihovo uklanjanje

Danas su već brojna vodocrpilišta opterećena spojevima kao što su nitrati, koji su potencijalno opasni po zdravlje ljudi. Zato se takve vode moraju obraditi prije upuštanja u vodoopskrbni sustav. Prisutnost nitrata u podzemnim vodama poprima pandemski karakter. Zbog toga su prisutna sve češća razmišljanja o potrebi remedijacije odnosno uklanjanja iona nitrata iz podzemne vode, jer predstavljaju opasnost po ljudsko zdravlje.

Procjene na osnovi podataka koje je prikupila Američka agencija za zaštitu okoliša (USEPA) ukazuju da je u 5 % javnih i privatnih bunara za opskrbu vodom za piće prisutnost nitrata viša od dozvoljene vrijednosti. Osim methemoglobinemije, moguće su i druge posljedice po zdravlje ljudi pri kroničnom konzumiranju nitratom opterećene vode zbog mogućeg sinergističkog djelovanja nitrata s pesticidima ili mikroorganizmima. Zato su propisane maksimalno dopuštene koncentracije kao i preporuke o snižavanju vrijednosti pojedinih onečistila.

Nitrati u tlu i vodi mogu biti prirodnog kao i antropogenog podrijetla. Nitrati prirodnog podrijetla posljedica su mikrobne aktivnosti u tlu. Tijekom biorazgradnje biljnog materijala koji sadrže i dušične spojeve dušik dospijeva u tlo u obliku amonijaka i nitrata. Ove spojeve biljke mogu asimilirati ili se mogu transportirati te dospjeti u zrak ili u vodenu fazu. Osim toga nitrati mogu potjecati iz geoloških ležišta nitratnih soli. Takva ležišta mogu znatno utjecati na koncentraciju nitrata u podzemnim vodama gdje se nalaze naslage (Montana, Nebraska, Južna Dakota i dolina San Joaquim u Kaliforniji). Ipak, prirodne koncentracije nitrata u podzemnim vodama uobičajeno su niže od 3 mg nitrata-N L-1.

Kada se uoči viša koncentracija nitrata u vodi od naprijed navedene, to je to posljedica nepravilnog odlaganja otpadnih tvari (septičke jame, različiti procesi kemijske i prehrambene industrije, poljoprivredne aktivnosti), a što je rezultat ljudske aktivnosti.

Ljudski je organizam izložen nitratima koji mogu biti različitog podrijetla (povrće, meso i ribe obrađene soljenjem, sušenjem i dimljenjem, te voda za piće koja sadrži nitrate). Američka su istraživanja pokazala da se uobičajenom prehranom dnevno u organizam unosi 75,4 mg nitrata. Međutim konzumiranjem 2 L vode dnevno (koja sadrži 20 mg nitrata-N L-1) uz uobičajenu prehranu u organizama se unosi 250 mg nitrata, dok se vegetarijanskom prehranom ta količina povećava i iznosi 269 mg nitrata. Nitrati kao takvi nisu toliko opasni po


28

zdravlje ljudi nego su opasni nitriti. Nitriti nastaju redukcijom nitrata u prisutnosti mikroflore u usnoj šupljini i u probavnom traktu, te oni izazivaju methemoglobinemiju.

Methemoglobin (metHb) nastaje kao produkt transformacije hemoglobina pri čemu se fero-ion oksidira u feri-ion i onemogućava se transport kisika u krvi. Normalna koncentracija metHb kod odraslih iznosi 1% a kod djece 2%. Pri 10% metHB-a dolazi do cijanoze (tijelo poplavi), a pri 50-60% moguća je koma i smrt. Najosjetljiviji dio subpopulacije na nitritom induciranu methemoglobinemiju su bebe do 6 mjeseci starosti. U Americi je 1986. godine umrlo dvomjesečno dijete jer je dječja hrana bila priređivana vodom koja je sadržavala 150 mg nitrata-N L-1.

Nitrati prisutni u vodi mogu se ukloniti na više načina. Međutim svi ti procesi imaju svoje nedostatke tako da se i danas još provode brojna istraživanja u cilju remedijacije podzemnih vodonosnih horizonata onečišćenih nitratima. Jedan od procesa je biološka denitrifikacija. To je kompleksni proces jer je neophodno dodavati kosupstrat koji služi kao izvor ugljika i energije za rast i razvoj anaerobnih heterotrofnih bakterija. U tu svrhu se mogu upotrijebiti metanol, denaturirani etanol i octena kiselina, a vodik za rast i razvoj anaerobnih autotrofnih bakterija. Prednost je ovog postupka što nastaje malo biomase i jednostavno je pokretanje te zaustavljanje bioreaktora. Pri tome se mogu odabrati dvije vrste reaktora: s nasutim slojem ili fluidiziranim slojem. Metanol se najčešće dodaje kao izvor ugljika i to u stehiometrijskom odnosu. Reakcija biološke denitrifikacije je dvostupanjska i može se prikazati sljedećim jednadžbama:

a) 6 NO3 + 2 CH3OH → 6 NO2- + 2 CO2 + 4 H2O

b) 6 NO2- + 3 CH3OH → 3 N2 + 3 CO2 + 3 H2O + 6 OH-

Na osnovi eksperimentalnih laboratorijskih istraživanja razvijena je empirijska jednadžba koja opisuje uklanjanje nitrata:

NO3- + 1,08 CH3OH + H+ → 0,065 C5H7O2N + 0,46 N2 + 0,76 CO2 + 2,44 H2O

Ukoliko je u vodi prisutan samo nitrat jednadžba pokazuje količinu potrebnog metanola, ali ako su prisutni nitriti i organske tvari onda je potrebna veća količina metanola. Nakon procesa biološke denitrifikacije slijede daljnji procesi pripreme vode (sedimentacija, filtracija preko pješčanog filtra, filtra ispunjenog aktivnim ugljikom, ozoniranje).

Nitrati se mogu ukloniti iz vode i ionskom izmjenom. Pri tome su potrebni veliki pogoni i nakon denitrifikacije potrebna je velika količina otopine natrijevog klorida za regeneraciju smole u ionskom izmjenjivaču. Otopina NaCl nakon regeneracije sadrži visoku koncentraciju nitrata, klorida i ponekad sulfata koji se ne smiju ispustiti bez obrade (uobičajeno biološke). Na kraju postoji i kombinirana metoda uklanjanja nitrata. Prvo se u ionskom izmjenjivaču uklone ioni nitrata iz vode a zatim se eluat nakon regeneracije ionske mase odvodi u biološki denitrifikacijski reaktor. Ovako pročišćeni istok ponovo se može koristiti za regeneraciju zasićene smole u ionskom izmjenjivaču. 2.4. PRIPREMA VODE ZA PIĆE

Filtracija

Filtracija vode je fizikalni proces i primjenjuje se za uklanjanje suspendiranih i koloidnih čestica prisutnih u vodi. Najčešće se primjenjuje u pripremi vode za piće a u novije vrijeme i pri obradi otpadnih voda (tercijarni stupanj) nakon bioloških ili fizikalno-kemijskih procesa obrade otpadne vode. U postupku pripreme vode za piće odabiru se spori i brzi pješčani filtri (kvarcni pijesak) te višeslojni filtri ispunjenim filtarskom masom različite granulacije, kao i


29

filtri punjeni masom aktivnog ugljika. Pri obradi otpadne vode filtri su ispunjeni granuliranim aktivnim ugljikom. Kod ugušćivanja mulja: primjenjuju se vakuum filtri.

Mehanizam filtracije može biti fizikalni i kemijski. Neke se čestice samo talože na kvracni pijesak. Također se talože kada im je promjer veći od promjera pora čestica aktivnog ugljika. Druge se čestice adsorbiraju djelovanjem različitih sila poput elektrostatskih sila, van der Waalsove sile, gravitacijskih sila ili kemijskom adsorpcijom (kemisorpcija). Prijenos čestica može se odvijati sedimentacijom, inercijskim silama, difuzijom ili slučajnim dodirom. Koji će mehanizam prevladati ovisi o protoku vode, karakteristici suspenzije te filtarskom materijalu.

Modeliranje procesa filtracije preko granuliranih filtara osniva se na pojednostavljenim teorijama i empirijskim jednadžbama. Matematički izrazi koji opisuju adsorpcijsku izotermnu ravnotežu mogu se prikazati Freundlichovom jednadžbom ili Langmuirovom jednadžbom. a) Freundlichova jednadžba glasi:

q = masa tvari iz otopine / masa adsorbensa C = koncentracija tvari u otopini Kf i n = konstante i n je veći od 1

Logaritmirajući obje strane gornjeg izraza, jednadžba se pretvara u linearni oblik: i grafički (Slika 2.5.) se prikazuje kako slijedi:

Slika 2.5. Grafički prikaz Freundlichove adsorpcijske izoterme Freundlichova izotermna jednadžba dobro opisuje adsorpciju organskih tvari kod razrijeđenih otopina i u malom rasponu koncentracija. Ako je tvar u otopini nepoznata, koncentracije se mogu izraziti pokazateljima kao što su kemijska (KPK) ili biokemijska (BPK) potrošnja kisika. b) Langmuirova jednadžba: Jednadžba se osniva na pretpostavci da se samo jedan sloj tvari adsorbira na površinu adsorbensa, da se adsorbirane molekule ne mogu gibati k površini adsorbensa i da je adsorpcijska entalpija jednaka za sve molekule. gdje je: q = masa adsorbirane tvari /masa adsorbensa

qm = masa adsorbirane tvari / mono sloj mase adsorbensa

nf CKq /1=

Cn

Kq f log1loglog +=

CKCKqq

A

Am

+=

1


30

C = koncentracija tvari u otopini KA = konstanta adsorpcijske entalpije

Linearni oblik jednadžbe glasi: ili Langmuirove adsorpijske izoterme se grafički prikazuju kako je prikazano u slici 2.6. u lijevom stupcu, ovisno o odabranoj jednadžbi. Konstante KA i qm mogu se očitati iz nagiba pravca i odsječka na ordinati. Ovaj oblik izotermi je pogodan za prikaz adsorpcije anorganskih tvari iz voda, kao što su npr. ioni različitih teških metala. Krivulja koja prikazuje zasićenje adsorbensa i proboj onečišćujuće tvari u izlaznom toku grafički je prikazana u desnom stupcu.

Slika 2.6. Grafički prikaz Langmuirove adsorpcijske izotreme (lijevo) i krivulja zasićenja adsorbevsa i proboja onečišćujuće tvari (desno)

Pad tlaka pri filtraciji vode iz podzemnih horizonata nastaje protokom suspenzije kroz

nasuti sloj granuliranog (zrnat) materijala. Pri tome se čestice nakupljaju u porama materijala i pad tlaka raste pri zadanom protoku. Za nepokretni sloj jednolikih čestica početni gubitak tlaka u čistom filtru dan je Kozeny-evom jednadžbom: gdje je: HG – gubitak tlaka,

Δp – pad tlaka, L – visina sloja,

Dp – koristan promjer čestice filtarskog materijala, ε – slobodna frakcija u sloju,

us – površinska brzina, fp – faktor trenja,

ρ – gustoća vode.

U primarnom taložniku se provodi taloženje pri čemu se uklanjaju krupne čestice iz vode. Djelovanjem sile teže čestice se gibaju k dnu bazena i sudaraju te postaju još krupnije i na kraju se istalože na dno. Filtracija je najznačajniji postupak u tehnologiji pripreme vode. Procesom filtracije se iz vode uklanjaju suspendirane čestice veće od 1 μm i to čvrste taložive

mmA qC

qKqC

+=1

CqKqq mAm

1111⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

23

1s

ppG u

DLfpH ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=Δ

=εε

ρ


31

ili lebdeće tvari anorganskog ili organskog podrijetla, koloidno raspršena mutnoća te hidrokside željeza i mangana (slika 2.7.).

Slika 2.7. Shematski prikaz filtracije vode U postupku filtracije primjenjuju se otvoreni brzi filtri od armiranog betona ispunjeni

kvarcnim pijeskom, čija su zrnca promjera 0,8-1,0 mm. Ovi filtri su sastavni dio velikih postrojenja u gradskim vodovodima. Zatvoreni tlačni brzi filtri su okomiti, cilindričnog oblika, izrađeni iz čelika i primjenjuju se u industriji za pripremu procesne vode, napojne vode za kotlovnicu i za pripremu rashladne vode. Različite izvedbe pješčanih filtara prikazani su u slici 2.8.

Slika 2.8. Presjek otvorenog brzog i sporog pješčanog filtra (lijevo) koji se primjenjuju u vodoopskrbnim sustavima i izgled okomitih zatvorenih tlačnih filtara (desno) u industriji

Kada voda u vodocrpilištu sadrži onečišćenja u obliku sitnih koloidnih čestica (< 1 μm), one se prije filtracije uklanjaju procesom koagulacije. Koloidno raspršene čestice mogu biti anorganskog (silicijevi spojevi, vrlo sitne čestice gline) ili organskog podrijetla (prirodne organske boje, bjelančevina). U tu svrhu se dodaju sredstva za koagulaciju (Al2(SO4)3 ili organski polielektroliti. Nakon kratkog intenzivnog miješanja nastaju pahuljice aluminijevog hidroksida ili polielektrolita u koje se uklapaju koloidno raspršena onečišćenja i talože na dnu sedimentacijskog bazena ili uklanjaju filtracijom.

Svrha filtracije je uklanjanje tragova organskih tvari na aktivnom ugljiku koje utječu na okus i miris vode, te uklanjanje oksida željeza i mangana na kvarcnom pijesku nakon deferizacije vode.

Nakon određenog vremena dolazi do zasićenja filtarske mase pa je potrebno provesti regeneraciju. Zbog akumulacije čvrstih čestica raste tlak u filtarskoj masi. Kada dođe do


32

proboja onečišćujućih tvari (ioni željeza) na izlazu iz filtra odnosno zasićenja mase, filtarska masa se regenerira. Provedba regeneracije filtarske mase ovisi o vrsti vode koja se propuštala kroz filtarsku masu (voda za piće, procesna voda ili otpadna voda).

Kod voda za piće i procesnih voda pri regeneraciji adsorbensa, filtarska masa se prethodno rahli upuhavanjem zraka, a zatim se protustrujnim tokom vode uklanjaju prethodno istaložene čestice. Po potrebi, nakon pranja, provodi se sterilizacija mase aktivnog ugljika vodenom parom. Kolone s punilom (granulirani aktivni ugljik - GAC) osiguravaju filtraciju i adsorpciju ( slika 2.9.).

Slika 2.9. Shematski prikaz presjeka ugljenog filtra ( lijevo) i izgled ugljenih filtara u industrijskim pogonima

Protok otpadne vode može biti silazni ili uzlazni. U nestacionarnom radu adsorpcijske kolone, pri pojavi proboja onečišćujuće tvari u izlaznom toku kolona se protustrujno ispire, a kada je GAC zasićen onda se regenerira. Ovisno o onečišćujućujoj tvari koja se uklanja iz otpadne vode, regeneracija mase aktivnog ugljika može se provesti ispiranjem otapalom, ispiranjem kiselinama ili lužinama, vodenom parom ili termičkom obradom (1000 °C) pri čemu se gubi 10% mase. Oksidacija

Postupak oksidacije je kemijski proces u kojem se uklanjaju amonijak i preostale organske tvari, te smanjuje broj mikroorganizama u vodi. Najčešća oksidacijska sredstva su klor, hipoklorit, ozon i klordioksid. Kinetika dezinfekcije vode ili otpadne vode glasi: gdje je: X - broj živih stanica u vremenu t

k - kinetička konstanta prvog reda m - empirijski eksponent

Kod oksidacije je značajan proces difuzije oksidansa i otpornost mikroorganizama (gram pozitivne bakterije su otpornije u odnosu na gram negativne bakterije) pa je potrebno empirijski ustanoviti odgovarajuću koncentraciju oksidacijskog sredstva i kontaktno vrijeme. Oksidacija plinovitim klorom može se prikazati sljedećom jednadžbom hidrolize Cl2 u vodi:

Cl2+H2O → HOCl + H+ +Cl- Shematski prikaz uređaja za dezinfekciju vode prikazan je u slici 2.10.

mtXkdtdX

⋅⋅=−


33

Slika 2.10. Shematski prikaz dezinfekcije vode plinovitim klorom 2.5. PRIPREMA PROCESNE VODE

Kakvoća vode za uporabu u industriji ovisi o njezinoj namjeni. Procesne vode moraju imati

iste fizikalno-kemijske i mikrobiološke karakteristike kao i vode za piće ali ovisno o samom proizvodnom procesu mogu postojati i dodatni zahtjevi, kao što su djelomično ili potpuno uklanjanje minerala iz vode u cilju osiguranja proizvoda ili energenta dobre kakvoće. Kemijski sastav vode u vodocrpilištima je različit ali sve imaju relativno veliku tvrdoću. Tvrdoća vode se izražava jedinicom mol m-3 ili mmol L-1. Nepoželjni ioni se uklanjaju iz vode ionskom izmjenom na odgovarajućim smolama (kationske smole i anionske smole) u ionskim filtrima cilindričnog oblika najčešće izrađenih od poliestera. Kationske smole sadrže kisele aktivne grupe i rešetka je negativno nabijena pa se ovaj naboj kompenzira protivnim nabojem kao s oksonij ionima (H3O+) ili Na+ ionima, koji se mogu zamijeniti s kationima Ca2+ i Mg2+ iz vode. Anionske smole sadrže bazične aktivne grupe i rešetka je pozitivno nabijena pa se ovaj naboj kompenzira OH- ionima. Na anionskoj smoli dolazi do zamjene OH- iona s anionima iz vode poput SO4

2- i CO32-. Zamjena iona između izmjenjivača iona i iona u

vodi može nastupiti samo između iona istih naboja i proces je reverzibilan. To znači da se kationi zamjenjuju kationima a anioni zamjenjuju anionima. Regeneracija zasićenih smola se provodi odgovarajućim otopinama kako bi se vezani ioni istisnuli iz mase smole a na njihovo mjesto se vezali ioni koji su bili prvobitno na smoli. Nakon regeneracije mase, ionska izmjena se može nastaviti.

Mekšanje, dekarbonizacija i demineralizacija vode

Za različite potrebe tehnoloških procesa voda se može mekšati, dekarbonizirati i demineralizirati. Omekšana voda je voda bez ukupne tvrdoće odnosno bez Ca2+ i Mg2+. Dobiva se gotovo isključivo mekšanjem neutralnom ionskom izmjenom. Pri ionskoj izmjeni koristi se jako kiseli ionski izmjenjivač zasićen Na+ ionima te se svi kalcijevi i magnezijevi ioni zamjenjuju natrijevim ionima.(slika 2.11.). Primjer je princip rada perilice suđa.


34

Slika 2.11. Izmjena iona kod mekšanja vode

Dekarboniziranoj vodi je uklonjena karbonatna tvrdoća odnosno kalcijevi i magnezijevi hidrogenkarbonati a uklanja se slabo kiselom kationskom smolom. Dekarbonizirana voda se koristi u proizvodnji piva, bezalkoholnih pića, pripremi kave i u pripravi kocki leda. Takva voda zadržava okus, a izbjegava se taloženje karbonata u proizvodu ili na grijaćim površinama strojeva, dok se kocke leda brže smrzavaju i prozirnog su izgleda.

Demineralizirana voda je voda kojoj su uklonjene sve soli. Demineralizacija vode se provodi primjenom jako kiselog kationskog izmjenjivača s aktivnom skupinom u H+ formi i primjenom anionskog izmjenjivača s aktivnom skupinom u OH- formi. Jako kiseli izmjenjivač na sebe veže sve katione iz vode, a jako bazni sve anione. Demineralizirana voda se koristi za napajanje kotlova visokog tlaka, u laboratorijima, za ovlaživanje ili u pripremi otopina za printere.

2.6. OTPADNE VODE Kemijski sastav i analiza sirove i obrađene otpadne vode

Otpadne vode mogu biti različite po svom kemijskom sastavu te se shodno tome i različito obrađuju. Otpadne vode se mogu podijeliti prema podrijetlu na kućanske (komunalne) industrijske (tehnološke) i oborinske (Zakon o vodama NN 56/13). Nadalje otpadne vode mogu biti slabo, srednje i jako opterećene, a prema biološkoj razgradivosti lako, srednje, teško i toksične. U otpadnoj vodi mogu biti prisutni brojni anorganski spojevi kao što su lužine, kiseline, soli, metali, pijesak i čestice ruda. Od organskih spojeva su to najčešće otpatci iz domaćinstava, klaonica, šećerana, tvornice papira i brojnih drugih industrija. Oni se najčešće dijele na organske dušične spojeve u koje se ubrajaju urea, proteini, amini i amino kiseline i organske nedušične spojeve a to su ugljikohidrati, masti i sapuni, te drugi specifični organski spojevi različitih industrija. Svrha klasične obrade otpadne vode je smanjiti vrijednost biokemijske potrošnje kisika (BPK5), ukloniti suspendirane tvari i ukloniti patogene mikroorganizme. Dodatna obrada služi za uklanjanje toksičnih tvari, nerazgradivih spojeva i otopljenih tvari. Postupci obrade ovise o količini i sastavu otpadne vode, mogućnosti povratne uporabe tako obrađene vode ili ispuštanje u vodotok te o ekonomičnosti postupka a klasifikacija procesa je prikazana u tablici 2.1.


35

Tablica 2.1. Klasifikacija procesa obrade otpadne vode

Redoslijed stupnja obrade

Svrha stupnja obrade Obrada Glavna onečišćenja

Klasifikacija mehanizma obrade

PRETHODNI zaštita sljedećih procesa

uklanjanje otpada - rešetke i pjeskolov

drvo, kamenje, papir, šljunak fizikalni

PRVI (PRIMARNI)

ispuštanje efluenta u neosjetljiv recipijent i priprema za sekundarni

taloženje u primarnom taložniku, taloženje uz flokulante

- suspendirane tvari, - teški metali, - fosfor, - biorazgradive organske tvari

fizikalni fizikalno - kemijski

DRUGI (SEKUNDARNI)

obrada za ispuštanje u većinu recipijenata

-aktivni mulj, -biološki filtri, -anaerobno,

- koagulacija i flokulacija

organska tvar organska tvar organska tvar

suspendirana tvar, dušik i fosfor

biološki biološki biološki

fiz.-kemijski fiz., biol.., kem.

TREĆI (TERCIJARNI) ispuštanje u

"osjetljive" vode

filtracija, dezinfekcija (Cl2, ozon)

suspendirane tvari, patogeni mikroorganizmi

fizikalni

kemijski

NAPREDNI

uklanjanje specifičnih onečišćenja

ionska izmjena, membranska filtracija, adsorpcija

dušik, metali; anorganske tvari; nerazgradive organske tvari

kemijski; fizikalni;

fizikalni

Ovisno o zahtjevima i zakonskim propisima pri analizi otpadnih voda određuju se

fizikalna, kemijska i biološka svojstva otpadnih voda. Sastav otpadne vode određuje se na izlazu iz proizvodnog procesa ili iz kanalizacijskog sustava. Uzorkovanje otpadne vode može biti trenutno ili izuzimanje tijekom cijelog radnog vremena u određenim vremenskim razmacima u cilju dobivanja kompozitnog uzorka. Dobiveni pokazatelji služe za projektiranje uređaja za obradu otpadnih voda. Također se svakodnevno određuje ukupno opterećenje otpadne vode i to na ulazu i na izlazu iz uređaja za obradu otpadnih voda.

Pri fizikalnoj analizi najčešće se određuju sadržaj čvrstih tvari, pH-vrijednost, otopljeni plinovi i temperatura u otpadnoj vodi. Sadržaj čvrstih tvari (utječe na estetiku, bistrinu i boju vode). Ukupna čvrsta tvar u uzorku vode je ostatak nakon isparavanja i sušenja uzorka pri 105 °C. Prisutnost hlapivih tvari određuje se žarenjem pri 550 °C. Čvrste tvari veličine iznad 10 μm uklanjaju se sedimentacijom i filtracijom, dok se one ispod lμm uklanjaju osjetljivijim procesima separacije. Zato se pri analizi određuju taložive tvari, suspendirane tvari i otopljene tvari. Također se mjeri temperatura (više temperature smanjuju topivost O2 u vodi), pH- vrijednost otpadne vode i otopljeni kisik.

Otpadne vode različito utječu na okoliš. Otopljene organske tvari mogu potrošiti otopljeni O2 u vodotocima i utječu na okus i miris vode iz vodocrpilišta. Otrovne (toksične) tvari se uključuju u hranidbeni lanac vodnih organizama, te mogu štetiti zdravlju ljudi. Biorazgradive organske tvari u otpadnoj vodi su najčešće proteini, ugljikohidrati, lipidi. Proteini su spojevi velike molekulske mase i sastavljeni su od aminokiselina. Ugljikohidrati (šećeri, škrob, celuloza) su polimerni spojevi sastavljeni od manje ili više jedinica monomera. Lipidi (masti, ulja) su polimeri sastavljeni od glicerola i tri jedinice masne kiseline koje mogu biti zasićene i nezasićene. U otpadnim vodama mogu biti prisutni i drugi biorazgradivi organski spojevi koji potječu iz različitih industrijskih pogona. Prisutnost organskih tvari u uzorku otpadne vode


36

utvrđuje se određivanjem biokemijske potrošnje kisika (BPK) i kemijske potrošnje kisika (KPK) koje se ubrajaju u kemijske analize. Kemijska potrošnja kisika (KPK) i biokemijska potrošnja kisika (BPK) su dva značajna pokazatelja koji ukazuju na ukupno organsko opterećenje ispitivane otpadne vode. Kod određivanja vrijednosti BPK (mg O2 L-1), prisutni mikroorganizmi ili mikroorganizmi iz okoliša oksidiraju organsku tvar u uzorku otpadne vode koristeći otopljeni molekularni kisik. Ova transformacija se može prikazati sljedećom jednadžbom:

Organska tvar + O2 ⎯⎯⎯⎯ →⎯ izmimikroorgan CO2 + produkt + NH3 + nove bakterije + (- ΔH)

Pri određivanju biokemijske potrošnje kisika potpuna biorazgradnja (mineralizacija) organske tvari u otpadnoj vodi je dugotrajna kao što je prikazano u slici 2.12.

BPK5 BPKc-konačni

BPKc,N-konačni

01020304050

0 10 20 30 40 50

Vrijeme inkubacije (dani)

BPK

(mgL

-1)

Slika 2.12. Prikaz razgradnje organske tvari pri analizi biokemijske potrošnje kisika Zbog toga je za izražavanje vrijednosti BPK, definirana petodnevna biokemijska potrošnja kisika (BPK5) što predstavlja koncentraciju kisika u miligramima koja je potrebna za oksidaciju organske tvari u l L otpadne vode uz prisutnost mikroorganizama pri 20 °C tijekom 5 dana. Ova reakcija je aerobna i odvija se u dvije faze. Prvo se razgrađuju organski spojevi s ugljikom a nakon toga s dušikom.Pri analizi tijekom 5 dana se razgradi 60 -70 % od ukupnog organskog opterećenja. Dušik iz organske tvari prelazi u NH3. Nakon 12 dana nitrificirajuće bakterije počinju oksidirati amonijak kako slijedi:

( )

( )75kJ NO O 0.5 NO

kJ 230- 2H OH NO O 1.5 NH-32

-2

2-224

−+⎯⎯⎯ →⎯+

+++⎯⎯⎯⎯ →⎯+ ++

rNitrobacte

asNitrosomon

U otpadnoj vodi mogu biti prisutne i mnoge organske tvari koje nisu biorazgradive, pa zbog toga nisu uključene u izračunatoj vrijednosti BPK5. Zato se koriste i druge analitičke metode poput određivanja kemijske potrošnje kisika (KPK). Kod određivanja KPK (mg O2 L-1) analiza se provodi refluksiranjem uzorka otpadne vode uz dodatak K2Cr2O7 i H2SO4 tijekom 2 sata. Reakcija se može prikazati:

Organska tvar + Cr2O7-2 → CO2+ H2O +Cr2O4

-2

Dodatak katalizatora Ag2SO4 poboljšava oksidaciju postranih alifatskih spojeva. Dodatak HgSO4 kompleksira prisutne ione klorida. Vrijednosti KPK ispitivanih uzoraka otpadnih voda su uobičajeno veće od vrijednosti BPK5, jer se više spojeva može kemijski oksidirati nego s mikroorganizmima. Shodno tome kada je odnos:

otpadna voda je biološki razgradiva

25

≤BPKKPK


37

a kada je odnos:

otpadna voda nije biološki razgradiva

Primjeri: Nakon provedene analize uzorka otpadne vode izračunato je da vrijednost KPK iznosi 850 mg O2 L-1 a vrijednost BPK5 500 mg O2 L-1. Omjer vrijednosti KPK i vrijednosti BPK5 iznosi 1,7. To ukazuje da se ovakva vrsta otpadne vode, nakon po potrebi provedenog prethodnog i/ili prvog stupnja obrade, može u drugom stupnju podvrći biološkom procesu obrade otpadne vode.

U drugom slučaju je izračunato da vrijednost KPK iznosi 1.500,00 mg O2 L-1 a vrijednost BPK5 300 mg O2 L-1. Omjer vrijednosti KPK i vrijednosti BPK5 iznosi 5. To ukazuje da se ovakva vrsta otpadne vode, nakon po potrebi provedenog prethodnog i/ili prvog stupnja obrade, ne može u drugom stupnju podvrći biološkom procesu obrade nego se mora odabrati neki of fizikalno-kemijskih procesa obrade otpadne vode.

Osim određivanja BPK5 i KPK, u uzorku otpadne vode se može odrediti i ukupni organski

ugljik a izražava se u mg C L-1. Shodno tome organsko opterećenje u otpadnim vodama može se odrediti i instrumentalno u analizatoru ukupnog organskog ugljika (TOC metoda). Prije analize potrebno je ukloniti anorganski ugljik ili ga odvojeno odrediti.

Bitno je također odrediti koncentraciju dušika (mg L-1) i fosfora (mg L-1) u otpadnoj vodi, jer njihovi spojevi u vodotocima omogućavaju prekomjerni rast algi i vodnog bilja (pojava eutrofikacije). Dušik je uobičajeno prisutan u organskom obliku ili kao amonijačni dušik. Određuje se kolorimetrijskim metodama ili specifičnim ion selektivnim elektrodama u kombinaciji s pH-metrom. Fosfor dospijeva u otpadne vode iz urina, te iz detergenata. To su uglavnom ortofosfati. Zahvaljujući tome otpadne vode iz kućanstva sadrže dovoljne količine dušika i fosfora koji je potreban bakterijama u drugom (biološkom) stupnju obrade otpadne vode. Pri obradi industrijskih otpadnih voda potrebno je dodavati ove spojeve kako bi se biološki proces mogao neometano odvijati. Povoljan odnos BPK5:N:P u otpadnoj vodi iznosi 100:3-5:1.

Od plinova je najbitnija prisutnost otopljenog kisika u otpadnoj vodi. O2 je neophodan za respiraciju (disanje) aerobnih bakterija i ostalih vodnih organizama. Pri niskim koncentracijama kisika stvaraju se neugodni mirisi zbog anaerobne razgradnje pri čemu nastaju plinovi poput metana, vodikovog sulfida i amonijaka (CH4, H2S, NH3). Otopljeni kisik mjeri se kisikovom elektrodom ili klasičnom Winklerovom metodom. Koncentracija kisika u otpadnoj vodi se smanjuje porastom temperature i koncentracijom iona klorida.

Od bioloških pokazatelja, prati se i prisutnost mikroorganizama odgovornih za uspješnu biološku obradu otpadne vode. U obrađenoj otpadnoj vodi određuje se mikrobiološkom analizom i prisutnost patogenih mikroorganizama. Ova mjera je potrebna za ocjenu kvalitete vode to jest u koji se recipijent smije ispustiti.

Za rutinsku kontrolu ispravnosti rada biološkog dijela uređaja za obradu otpadnih voda, dovoljno je staviti kapljicu uzorka vode na predmetnicu, poklopiti pokrovnicom i vlažni (nativni) preparat promatrati pod svjetlosnim mikroskopom. Promatranjem preparata se mogu uočiti odgovarajuće grupe mikroorganizama koje upućuju na ispravnost rada uređaja i na stupanj pročišćenosti otpadne vode (slika 2.13.). Kratki opis značajki pojedinih grupa mikroorganizama koje sudjeluju u biorazgradnji ili mogu biti prisutne u otpadnoj vodi:

Bakterije su jednostanični mikroorganizmi, prisutni u vodi, tlu i zraku. Različitog su oblika (štapići, koki, spirale), veličine od 0,5-3,0 μm. Stanice su kemijski vrlo kompleksne i njihova empirijska formula je C5H7O2N. Autotrofne bakterije koriste CO2 kao izvor ugljika, a

25

≥BPKKPK


38

heterotrofne bakterije organske spojeve. Aerobne bakterije trebaju otopljeni kisik dok anaerobne oksidiraju organsku tvar bez prisutnosti kisika. Većina ih raste u neutralnom području pH-vrijednosti.

Fungi – gljive (plijesni i kvasci) troše otopljenu organsku tvar, rastu pri nižoj vrijednosti pH (oko 5), za razliku od bakterija. Veličina stanica je 5-10 μm. Plijesni se razmnožavaju stvarajući spore, kvasci najčešće pupanjem, dok bakterije cijepanjem stanice. Ovisno o razvojnoj fazi, fungi mogu biti jednostanični ili višestanični. Uglavnom su aerobni mikroorganizmi. Kvasci su jednostanični fungi, veličine 5-8 μm, aerobni, u fakultativno anaerobnim uvjetima proizvode alkohol i ugljikov dioksid.

Alge se razlikuju od prethodnih vrsta, jer provode fotosintezu stvarajući kisik za vrijeme rasta. Klasificiraju se po boji pigmenta koji posjeduju (zelene, žute, zlatno-smeđe, modro-zelene). Autotrofne su, a porastom koncentracije N i P u vodotocima, dolazi do njihovog bujanja i eutrofikacije vodotoka. Njihovo prisutnost je nepoželjna u vodocrpilištima jer vodi daju neugodan okus i miris.

Protozoe (praživotinje) su jedini predstavnici koji se mogu ubrojiti i u grupu životinja jer se hrane gutanjem. Prisutne su u otpadnoj vodi, u svim vrstama površinskih voda i u tlu. One su jednostanične, različitih veličina i nekoliko stotina puta veće od bakterija. Uobičajena papučica (Paramecium) je eliptičnog oblika, 40 μm široka i oko 200 μm dugačka. Protozoe probavljaju čvrstu hranu gutanjem ili usisavanjem. Hrane se koloidnim otpadom, bakterijama, jedni drugima i ostalim sitnijim organizmima.

Rotifere su aerobne višestanične životinje, hrane se bakterijama. Pokretne cilije (trepetljike) na glavi omogućavaju im gibanje. Potrebna im je visoka koncentracija otopljenog kisika, pa se nalaze u vodama s niskom koncentracijom organske tvari. Njihova prisutnost u izlaznom toku otpadne vode ukazuje na dobro obrađenu otpadnu vodu.

Pričvršćene cilijate

Bakterije

Amebe

Plivajuće cilijate

Rotifere

Supstrat (hrana)

Vrijeme

Rel

ativ

ni b

roj

Slika 2.13. Prisutnost i relativna brojnost pojedinih grupa mikroorganizama tijekom razgradnje organske tvari u otpadnoj vodi

Odvodnja otpadnih voda

Razvojem gradova i industrijske proizvodnje povećava se količina otpadne vode koju prijamnici (recipijent) više ne mogu primati bez većih ekoloških poremećaja. Smanjivanje zalihe čiste vode, a stvaranje velike količine otpadaka i otpadne vode nametnulo je potrebu obrade ili pročišćavanja takvih voda prije ispuštanja u prijemnike.

Ispuštanjem neobrađenih otpadnih voda, u vodotoku dolazi do promjena fizikalnih svojstava (boja, miris, bistrina), kemijskih svojstava (organske i anorganske tvari), smanjuje se količina otopljenog kisika, mijenja se broj i vrsta mikroorganizama, dolazi do promjene flore i faune, pa i do njihovog nestanka.


39

Kanalizacijskim sustavom se otpadne vode iz naseljenih mjesta i industrijskih kompleksa odvode na uređaj za obradu. U industrijskim kompleksima potrebno je imati razdvojeni kanalizacijski sustav za odvodnju različitih vrsta otpadnih voda, jer se u suprotnom nepotrebno opterećuje uređaj za obradu otpadnih voda. Tako se kanalizacijski sustav može razdijeliti na:

1. kontinuiranu odvodnju procesnih otpadnih voda (dok otpadne vode koje nastaju pri šaržnoj proizvodnji skupljati u spremnike i obraditi odvojeno prije upuštanja u kanalizaciju ).

2. odvodnju oborinskih voda (po potrebi se mogu koristiti za razrjeđivanje visoko opterećenih otpadnih voda prije upuštanja u uređaj za biološku obradu)

3. odvodnju sanitarne otpadne vode (otpadne vode restorana i sanitarnih čvorova koje se mogu upustiti u gradsku kanalizaciju)

Topivost kisika u prirodnoj vodi (prijemnik) ovisi o temperaturi i relativno je mala (oko

10 mg L-1 pri 15 °C a 8 mg L-1 pri 20 °C). Shodno teme ispuštanje neobrađene otpadne vode neke male tvornice već može potrošiti otopljeni kisik u rijeci i izazvati pomor riba. Zato zakonski propisi brojnih zemalja zahtijevaju da se vrijednost BPK5 otpadne vode mora smanjiti na propisanu vrijednost prije ispuštanja u vodotoke, a što se postiže odgovarajućom obradom.

2.7. OBRADA OTPADNIH VODA

Ovisno o veličini čestica tvari u otpadnoj vodi, one se uklanjaju pri određenom stupnju

obrade kako je prikazano u tablici 2.2. Primjeri prosječne vrijednosti KPK i BPK5 neobrađenih kućanskih i industrijskih otpadnih voda prikazani su u Tablici 2.3.

Tablica 2.2. Veličine čestice koje se uklanjaju u pojedinom stupnju obrade otpadne vode

Pri obradi otpadne vode mogu se primijeniti fizikalni, fizikalno kemijski i biološki procesi.


40

Tablica 2.3. Prosječne vrijednosti KPK i BPK5 neobrađenih kućanskih i industrijskih

otpadnih voda

PODRIJETLO

Vrste onečišćenja

KPK (mg dm-3)

BPK5 (mg dm-3)

KUĆANSTVA Masti, proteini, ugljikohidrati, suspendirane tvari

500 300

KLAONICA Proteini, suspendirane tvari 3.500 2.000 ŠEĆERANA Ugljikohidrati, suspendirane t. 1.150 850

MLJEKARSTVO Ugljikohidrati, proteini, masti 1.800 900 DESTILERIJE Ugljikohidrati, proteini,

suspendirane tvari 60.000 30.000

TVORNICA CELULOZE ugljikohidrati, lignin, sulfati, suspendirane tvari

76.000 25.000

TEKSTILNA IND. bojila 1.360 760 PROIZVODNJA GUMA Organske tvari, aditivi 5.000 3.000

KOŽARSKA IND. proteini, sulfidi, suspendirane t. do 13.000 do 2.300 ŠKROBARA Ugljikohidrati, proteini 17.000 12.000

Fizikalni procesi

U fizikalne procese obrade otpadne vode se ubrajaju sedimentacija, ugušćivanje i flotacija. Sedimentacija je proces uklanjanja čvrstih čestica gravitacijskim taloženjem. Proces se odvija u sedimentacijskim bazenima (taložnik) tj. u izbistrivačima ili u ugušćivačima. Izbistrivač se odabire kada je efluent (izlazni tok) s malo suspendiranih čvrstih tvari, a ugušćivač se odabire za dobivanje koncentrirane suspenzije. Pri obradi otpadnih voda, sedimentacijom se uklanjaju organske i anorganske čvrste čestice iz sirovog ili obrađenog otpadnog toka (slika 2.14.). Primarni taložnik se koristi za uklanjanje čvrstih tvari iz ulaznog toka otpadne vode, a sekundarni taložnik za uklanjanje čvrstih tvari iz izlaznog toka nakon biološke obrade.

Slika 2.14. Shematski prikaz zone taloženja u taložniku

Za proučavanje sedimentacije (taloženje) u idealnim bazenima odabran je horizontalni protočni pravokutni bazen u kojem se nalaze četiri zone taloženja. Ulazni tok suspenzije pravilno je raspoređen po presjeku bazena, koncentracija suspendiranih čestica je istih veličina i jednaka je na svim točkama vertikalnog presjeka bazena. Čvrsta tvar skuplja se u zoni mulja na dnu bazena i sve čestice koje dospiju na dno trajno su uklonjene iz suspenzije. Putanja gibanja čestica je pravocrtna i određena sumom vektora dviju komponenti brzina (slika 2.15.). Horizontalna brzina (u) čestice posljedica je protoka fluida kroz bazen. Čestice s brzinom taloženja (v0) na ulazu u bazen, dospjet će do dna bazena na raskrižju s izlaznom zonom. Zbog toga sve čestice koje imaju brzinu taloženja jednaku ili veću od (v0) potpuno se


41

uklanjaju iz suspenzije. One čestice čija je brzina taloženja manja od (v0) samo se djelomično uklanjaju iz suspenzije. Frakcija čestica s brzinom (vs), koja se ukloni u idealnom bazenu je:

AQv

vvF ss

x /0==

gdje je: Q – ukupni volumetrijski protok fluida A – površina bazena vs – brzina taloženja frakcija čestica Fx

Slika 2.15. Shematski prikaz putanje gibanje čestica u pravokutnom taložniku

Na taloženje čestica s manjom brzinom utječe površina taložnika i protok otpadne vode.

Pri gravitacijskom ugušćivanju kod razrijeđenih suspenzija čestice se talože slobodno, dok ne dođu do zone mulja (Slika 2.16.). Porastom koncentracije čestica u suspenziji dolazi do veće interakcije među česticama što rezultira usporavanjem brzine taloženja. Kako brzina taloženja ovisi o koncentraciji, fluks (tok) čestica kroz bazen može se mijenjati s dubinom bazena. Ugušćivanje se nastavlja prema dnu, pa nastaje zona kompresije, a novo istaložene čestice djelomično podupire sloj koji se nalazi ispod njih.

Slika 2.16. Shematski prikaz taloženja čestica pri gravitacijskom ugušćivanju

Kod ugušćivanja mulja flotacijom za destabilizaciju koloidnih čestica u suspenziju se uvode mjehurići plina. Mjehurići plina se prilijepe oko čestica te stvarna gustoća čestice postaje manja od vode. Flotacija se primjenjuje u obradi otpadne vode za ugušćivanje aktivnog mulja i ugušćivanje muljeva nastalih nakon koagulacije (slika 2.17.).


42

Slika 2.17. Shematski prikaz procesa flotacije

Proces flotacije otopljenim zrakom se osniva na dovodu zraka tlačnom pumpom u retencijski i flotacijski bazen. Pri tome čestice mulja iz suspenzije odlaze k površini gdje se nalazi sloj mulja, koji se uklanja zgrtačem. Otjecanje izbistrenog toka otpadne vode omogućeno je preko pregradnih kanala i prilagodljivih rešetki. Fizikalno-kemijski proces obrade

Koagulacija se ubraja u fizikalno-kemijski proces obrade vode. Ovaj proces je usmjeren k uklanjanju koloidnih čestica koje stvaraju zamućenje u vodi iz vodocrpilišta ili u otpadnoj vodi. Raspršene koloidne čestice su različitih promjera od 1 do 1000 nm. U ovom procesu se dodaju kemijski spojevi u vodu, pa sitne raspršene (dispergirane) čestice prelaze u aglomerate. Koagulirane čestice se nakon toga uklanjaju sedimentacijom, flotacijom zrakom ili filtracijom. Stabilnost koloida u suspenziji posljedica je električnog naboja koje posjeduju čestice, pri čemu se one međusobno odbijaju. Negativni naboj posjeduju koloidi organskog podrijetla, anorganskog podrijetla i biokoloidi. Kako je prikazano u slici 2.18., negativno nabijeni koloidi privlače oblak pozitivnih iona zbog elektrostatskih sila.

Slika 2.18. Shematski prikaz koloidne čestice obavijene oblakom suprotno nabijenih iona

Pri tome su pozitivni ioni grupirani u dva sloja, u prvom unutarnjem sloju su ioni adsorbirani elektrostatskim silama i van der Waalsovim silama na koloidnu česticu, te su u drugom vanjskom difuznom sloju distribuirani ioni zbog električnih sila i gibanja fluida. Destabilizacija koloida u suspenziji kemijskom obradom otpadne vode usmjerena je na neutralizaciju ili redukciju električnog naboja. Mehanizmi destabilizacije koloida mogu biti trojaki (redukcija naboja, neutralizacija naboja ili uklapanje). Redukcija površinskog naboja smanjenjem dvostruko nabijenog sloja na primjer s Al2(SO4)3 14 H2O ili Ca(OH)2 djeluje na difuzni sloj. Neutralizacija naboja adsorpcijom na suprotno nabijene ione se postiže dodavanjem dodecilamonijevih iona koji djeluje na mono-sloj oko koloida. Premošćivanjem


43

dviju čestica s organskim polimerima na aktivnim mjestima polielektrolita dolazi do adsorpcije koloida. Rezultat je uklanjanje uklapanjem koloida u pahuljicu (flokulu) hidratiziranog koagulanta voluminoznog trodimenzionalnog polimera.

Najčešći kemijski spojevi za destabilizaciju koloida u suspenziji su CaO, Ca(OH)2, Mg(OH)2 i Al2(SO4)3. Osim toga se koriste i polielektroliti koji su po kemijskom sastavu sintetski polimeri s brojnim funkcionalnim grupama. Prema naboju dijele se na kationske (amini, kvarterna amonijeva grupa), neionske (poliamidi, polialkoholi) i anionske (karboksilna grupa, sulfonska grupa). Biološki procesi obrade

Dvije su osnovne vrste biološke obrade otpadne vode a to su aerobna i anaerobna. Pri aerobnoj obradi otpadne vode se mogu primijeniti sustavi s aktivnim muljem i biološka filtracija.

U sustavu s aktivnim muljem heterotrofni mikroorganizmi u prisutnosti otopljenog kisika razgrađuju organsku tvar u otpadnoj vodi. Svrha aktivnog mulja je oksidirati biorazgradive organske tvari u aeracijskom bazenu i flokulirati, tj. odvojiti novostvorenu biomasu od obrađenog toka. Aktivni mulj se djelomično vraća u sustav, pa se povećava koncentracija stanica za razgradnju organske tvari u kratkom vremenu. Postoje dva različita karakteristična vremena zadržavanja u reaktoru (bazenu):

- hidrauličko vrijeme zadržavanja (H) otpadne vode se može prikazati kao omjer volumena reaktora (V) i protoka otpadne vode (Q):

H = V/Q

- vrijeme zadržavanja stanica mikoorganizama (c) predstavlja omjer stanica

prisutnih u reaktoru i mase ispranih stanica po danu Uobičajeno je hidrauličko vrijeme zadržavanja otpadne vode (H) u rasponu od 3 do 6 sati, dok je vrijeme zadržavanja stanica mikroorganizama (c) u rasponu između 3 i 15 dana.

Sustav s aktivnim muljem je najjednostavniji način obrade otpadnih voda. Organske tvari se razgrađuju s aerobnim mikroorganizmima pri čemu otpadna voda treba imati neutralnu pH-vrijednost, te odnos BPK5: N: P → 100 : 3-5 : 1. Mikroorganizmi se nalaze na ili u pahuljici aktivnog mulja, a aeracijom (prozračivanje) se osigurava izmjena supstrata i izmjena produkata metabolizma.

Aktivni mulj se sastoji se od velikog broja u više slojeva raspoređenih bakterija, pri čemu neke bakterije izlučuju na površinu svoje stanične stijenke izvanstanični polimerni materijal (polisaharidi i/ili polipeptidi) koji omogućava tvorbu pahuljice aktivnog mulja. Pahuljice aktivnog mulja su negativnog naboja, veličine 50 -1000 μm i posjeduju veliku površinu zbog spužvaste strukture, te sadrže različite organske i anorganske tvari. Kemijski sastav aktivnog mulja je sljedeći: 10 - 30% mineralnih tvari (P i Ca glavni sastojci) i 70 - 90% organskih tvari (prevladavaju proteini i ugljikohidrati).

Promjene u otpadnoj vodi (umnožavanje mikroorganizama, trošenje supstrata, nastajanje proizvoda metabolizma) opisuje kinetika procesa. Monod je proučavao kinetiku rasta mikroorganizama (slika 2.19.) i predložio jednadžbu koja prikazuje ovisnost specifične brzine rasta mikroorganizama (k) o koncentraciji supstrata (S) kako slijedi:

dm

o kSK

Skk −+

=

gdje je: ko - konstanta maksimalne specifične brzine rasta, Km - konstanta zasićenja supstratom, kd - konstanta endogene respiracije.


44

Slika 2.19. Specifična brzina rasta mikroorganizama u ovisnosti o koncentraciji suspstrata Kada je S >> Km reakcija je I reda i ne ovisi o koncentraciji supstrata, kada je S = Km, reakcija je 1/2 maksimalne vrijednosti specifične brzine rasata biomase a kada je S << Km reakcija postaje I reda za supstrat i biomasu ili alternativno ukupno II reda.

Biološku sintezu biomase odnosno kinetiku rasta (Monodova kinetika) opisuje sljedeći izraz: pri čemu se utrošak supstrata vezuje uz nastanak živih stanica izrazom:

gdje je: Y= faktor prirasta biomase

U dobro miješanim protočnim reaktorima sastav otpadne vode je jednak u svim

dijelovima reaktora. Općenito se materijalna bilanca kod protočnih reaktora može riječima opisati: Akumulacija u reaktoru = Ulaz - Izlaz + Produkt reakcije Pri ustaljenom stanju rada reaktora su konstantni S0, X0 i Q0, te pri određenom vremenu zadržavanja koji je definiran s θ = V/Q0, materijalne bilance za supstrat i biomasu glase: gdje je:

V – volumen reaktora, Q0 – protok otpadne vode X0 i X – koncentracija stanica na ulazu i na izlazu iz reaktora S0 i S – koncentracija supstrata na ulazu i na izlazu iz reaktora

Mikroorganizmi nastali u biološkom procesu često se vraćaju u reaktor. Kod pravilno

vođenih procesa, glavni razlog povratnog toka je povećanje koncentracije biomase u reaktoru. Dodatak povratnog toka također razrjeđuje koncentraciju supstrata u ulaznom toku, što skraćuje vrijeme zadržavanja fluida u samom reaktoru. Izlazni tok iz reaktora dospijeva u sekundarni taložnik (ugušćivač), pri čemu se nakon taloženja dio koncentrirane biomase vraća u reaktor s brzinom protoka Qr i koncentracijom biomase Xr (slika 2.20.).

[ ]SKXSk

dtdX

m += 0

( )

0θθ

0θ

00

00

=−+

+−

=+

−−

XkSK

SXkXX

SKYSXk

SS

dm

m

dtdSY

dtdX

−=


45

Slika 2.20. Shematski prikaz obrade otpadne vode u reaktoru s povratnim tokom

Ukoliko je koncentracija supstrata u sekundarnom taložniku zanemariva, povratni tok će sadržavati istu koncentraciju supstrata kao i izlazni tok iz reaktora. Materijalne bilance za ovu vrstu reaktora uključuju izraze za supstrat i biomasu u povratnom toku. Riječima i jednadžbama se može opisati: Akumulacija = Ulaz + Povratni tok - Izlaz + Produkt reakcije

( )

( ) 0θθ

1

0θ

00

00

=−+

++−+

=+

−−

XkSK

SXkXRRXX

SKYSXk

SS

dm

r

m

Ukoliko je koncentracija biomase na ulazu zanemariva, materijalna bilanca za biomasu je: a kada reaktor radi u području rasta mikroorganizama gdje je endogena respiracija zanemariva, materijalna bilanca za biomasu poprima sljedeći oblik:

Biološka filtracija se također primjenjuje pri obradi otpadne vode. Pri tome aerobni mikroorganizmi nisu suspendirani u otpadnoj vodi kao u sustavu s aktivnim muljem nego su imobilizirani na površini inertnog materijala kojim je ispunjen biološki filtar. Prethodnici ovih filtara su bili kontaktni filtri. To su bili betonski spremnici punjeni izlomljenim kamenjem u koje se diskontinuirano uvodila otpadna voda. Ovi uređaji su bili slabog učinka. U novije vrijeme uvode se biološki filtri s plastičnim punjenjem pa se povećao interes za njihovu primjenu. Diskontinuiranim ili kontinuiranim dovođenjem i raspršivanjem, otpadna voda teče u tankim mlazovima preko punila filtra. Kisik i supstrat prodiru (difundiraju) u biološku opnu gdje mikroorganizmi u procesu metabolizma razgrađuju organske tvari iz otpadne vode. Mikroorganizmi prisutni u otpadnoj vodi se imobiliziraju (vežu) na čvrstu ispunu u filtru i trošeći supstrat stvaraju filmski sloj biomase koji može biti debljine i do nekoliko mm (slika 2.21.). Pri tome je vanski sloj biomase dobro opskrbljen kisikom i supstratom a u unutarnji sloj uz čvrstu podlogu ne dospjeva niti kisik niti supstrat. U tom sloju vremenom nastaju anaerobni uvjeti, stvaraju se plinovi CO2 i H2S, te dolazi do rahljenja filmskog sloja i odvajanja stare biomase. Nakon toga se filmski sloj ponovo razvija. U početku je sloj imobilizirane biomase tanki i vladaju samo aerobni uvjeti. Međutim ponovnim stvaranjem debljeg sloja u unutrašnjem dijelu ponovo nastaju anaerobni uvjeti.

( ) 0θθ

1 0 =−+

++− XkSK

SXkXRRX d

mr

( ) 0θ

1 0 =+

++−SK

SXkXRRXr

m


46

Slika 2.21. Shematski prikaz imobilizirane biomase na filtarskoj ispuni Debljina filmskog sloja biomase iznosi od 1 do 3 mm, a ovisi o svojstvu otpadne vode i hidrauličkom opterećenju. Na proces obrade otpadne vode u biofiltru utječu temperatura, pH-vrijednost, kisik, inertna ispuna i hidrauličko opterećenje.

Anaerobna obrada otpadne vode je proces koji se provodi uz pomoć fakultativno anaerobnih i striktnih anaerobnih mikroorganizama bez prisutnosti kisika i odvija se u četiri koraka (stupnja). Prvi korak je hidroliza polimernih organskih spojeva (proteini, masti, ugljikohidrati) do dugolančanih masnih kiselina. U ovom koraku aerobne i fakultativno anaerobne bakterije sintetiziraju izvanstanične (ekstracelularne) enzime poput proteolitičkih, lipolitičkih i drugih hidrolitičkih enzima, a pH-vrijednost otpadne vode iznosi oko 7,0. U drugom koraku dolazi do razgradnje dugolančanih masnih kiselina do kratkolančanih masnih i hlapljivih kiselina. U ovim reakcijama sudjeluju fakultativno anaerobni heterotrofi čije je optimalno pH područje djelovanja od pH 4,0 do 6,5. Glavni produkti su octena, propionska i maslačna kiselina. U trećem koraku se odvija anaerobna oksidacija organskih molekula nastalih u prethodnom stupnju i u zadnjem koraku se odvija metanogeneza. Anaerobni mikroorganizmi koji pripadaju domeni Archaea prethodno nastale produkte razgradnje (octena kiselina, CO2 i H2) prevode u bioplin (CH4). Ove bakterije su striktni anaerobi i optimalna pH-vrijednost metanogeneze je između 7.0 i 7.8. Za uspješnu metanogenezu potrebno je osigurati:

• bogati izvor biorazgradive organske tvari • pogodan odnos između različitih hranjivih sastojaka tj. C:N:P • niski oksidacijsko-redukcijski potencijal • pH između 6,8 - 8,0 • temperaturu između 30 °C i 60 °C • visoki sadržaj vode (preko 75%) • odsutnost toksičnih spojeva

Različite grupe mikroorganizama, koje provode razgradnju organskog materijala do CH4, su u simbiotskim odnosima. To je naročito izraženo između bakterija octenog vrenja i mikroorganizama koji sudjeluju u metanogenezi. Proces anaerobne razgradnje je endoterman, pa je potrebno dovoditi toplinu za uspješnu fermentaciju, odnosno proces provoditi u strogo definiranom temperaturnom području na primjer pri 28°C, 35°C, 40°C ili 55°C uz malo odstupanje od navedenih temperatura i to do ±1,0 °C.

Kada se proces anaerobne razgradnje promatra pojednostavljeno onda se on sastoji od dvije uzastopne faze tj. faze kiselinskog vrenja i metanogeneze:


47

biomasakiseline organskeCOH tvaridruge spojevi -C enižslo 1. 22bakterijeocteneikeHidrolitič +++⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯+

2. biomasaCOCHCOH kiseline organske 24

zemetanogeneizmiMikroorgan22 ++⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯++

Plinoviti proizvodi metanskog vrenja mogu se izračunati na osnovi stehiometrijskog

odnosa: CnHaCb + (n - a/4 - b/2) × H2O →(n/2 - a/8 + b/4) × CO2 + (n/2 + a/8 - b/4) × CH4

Ako se primjeni na octenu kiselinu kao središnji međuproizvod fermentacije, tada iz jednog mola octene kiseline nastaje po jedan mol metana i ugljikovog dioksida: CH3COOH → CH4 + CO2

(60) (16) (44) Znači da iz 1,0 g octene kiseline nastaje 0,267 g metana. Kako najčešće nije poznat točan kemijski sastav otpadnih organskih spojeva koji su podvrgnuti anaerobnoj razgradnji, plinoviti produkti fermentacije se indirektno izračunavaju određivanjem vrijednosti KPK supstrata. Iz jednadžbe potpune oksidacije octene kiseline:

CH3COOH + 2 O2 →2 CO2 + 2H2O slijedi da je za l,0 g octene kiseline potrebno 1,067 g kisika ili da se po svakom gramu vrijednosti KPK supstrata može dobiti:

0,267/1,067 = 0,25 g CH4 odnosno pri normalnim uvjetima 0,35 L CH4 Metcalf i Eddy su 1972. godine predložili jednadžbu za izračunavanje stvarnog volumena metana koja glasi:

V=0,35 (e×S – 1,42×Bm) gdje je:

e – koeficijent učinkovitosti korištenja supstrata (0,80- 0,95) S – količina utrošenog supstrata izražena kao vrijednost KPK (KPK/dan) Bm – količina proizvedene biomase

U praksi su glavni sastojci bioplina metan (60 - 70 %) i ugljikov dioksid (40 - 30 %). Brzinu procesa nastajanja bioplina određuju mikroorganizmi odgovorni za metansko vrenje koji su 10 - 20 puta sporiji od bakterija octenog vrenja. Stupnjevi obrade otpadne vode i izbor procesne opreme

Rešetke se primjenjuju u prethodnom stupnju obrade otpadne vode, gdje se uklanja inertna krupnija frakcija taloživih čestica. Ova operacija služi za zaštitu postrojenja od oštećenja ili začepljenja. Učinkovitost ovisi o razmaku rešetaka pa je za:

• prethodno cijeđenje – 30 - 100 mm • srednje fino cijeđenje – 10 - 25 mm • fino cijeđenje – 3 - 10 mm

Prema izvedbi se rešetke mogu podijeliti na:

• nagnute pod kutom • sa zupčanicima


48

• s grabljama • s četkom na beskonačnoj traci • s češljevima na beskonačnoj traci

Pjeskolovi se također primjenjuju u prethodnom stupnju obrade otpadne vode. U ovoj operaciji uklanjaju se čestice pijeska, šljunak i fine čestice minerala. Ovom operacijom uklanjaju se čestice veličina većih od 0,2 mm. Uređaji su kanalskog tipa, a izvedeni su tako da se mijenja brzina toka ili je brzina konstantna. Vrijeme zadržavanja otpadne vode je od 1-2 min. Pjeskolovi mogu biti izvedeni kao kružni s tangencijalnim napajanjem otpadnom vodom s mehaničkim miješanjem ili s upuhivanjem zraka. Također mogu biti pravokutni uređaji u kojima se otpadna voda giba rotacijski. Pijesak se uklanja mehanički struganjem k rubu okna ili usisnom pumpom.

Mastolovi su uređaji koji se također primjenjuju u prethodnom stupnju obrade otpadne vode. Svrha ove operacije je ukloniti masti i ulja iz otpadne vode prije daljnje obrade. Mehanizam uklanjanja osniva se na prirodnom svojstvu da mast ili ulje, kao lakša frakcija, pliva po površini vode. Separatori ulja i masti proizvode se za različite protoke, od malih pogona do velikih uređaja za obradu gradskih otpadnih voda. Kod ovih posljednjih, u prethodnom stupnju se istovremeno uklanjaju pijesak, te ulja i masti. Danas se kod manjih jedinica za obradu otpadne vode u mastolove dodaju prilagođene imobilizirane mješovite kulture mikroorganizama koje s pomoću lipolitičkih enzima razgrade masnoću, pa se masnoća ne mora odvajati i posebno odlagati (spaliti ili odlagati na odlagališta).

Taložnici za sedimentaciju čvrstih čestica u stvarnosti odstupaju od teorijskog modela idealnog bazena. Raspodjela čestica i vrijeme zadržavanja otpadne vode u praksi ovise o turbulenciji na ulazu i izlazu iz bazena, strujanju izazvano vjetrom i strujanju izazvano temperaturnom konvekcijom. Zato je potrebno teorijski izračunate vrijednosti protoka otpadne vode smanjiti za 25-35%. Sedimentacija (taloženje) se primjenjuje u prvom stupnju obrade za selektivno uklanjanje čestica iz sirove otpadne vode i nakon drugog stupnja obrade za separaciju biološkog mulja ili kemijskih taloga. Taložnici mogu biti izvedeni kružno, promjera od 9 do 60 m i dubine fluida 2-5 m, te pravokutni dužine do 90 m s omjerom dužine i širine između 3/1 i 5/1. Istaložene čestice se uklanjaju mehaničkim napravama koje zgrću k sredini ili hidrauličkim sakupljačima koji uklanjaju do točke odlaganja.

Flotacija se koristi za izdvajanje teško taloživih čestica iz sirove otpadne vode ili obrađenog toka. Kod ugušćivanja mulja dovode se mjehurići plina u suspenziju za destabilizaciju koloidnih čestica. Mjehurići plina se prilijepe oko čestica, te stvarna gustoća čestice postaje manja od vode. Flotacija se primjenjuje za ugušćivanje aktivnog mulja koji je nastao nakon aerobne ili anaerobne obrade nekih industrijskih otpadnih voda (mljekarska industrija, proizvodnja kvasca) jer je gravitacijsko taloženje vrlo sporo, kao i za ugušćivanje muljeva nastalih nakon postupka koagulacije.

Centrifuge se primjenjuju za ugušćivanje muljeva nastalih nakon drugog stupnja obrade otpadnih voda. Centrifuga je u biti sedimentacijski uređaj kod kojeg se brzina taloženja pospješuje centrifugalnim silama. Dijelovi centrifuge se sastoje od rotirajuće korpe i transportera za odlaganje mulja (slika 2.22.).

Slika 2.22. Shematski prikaz presjeka centrifuge


49

Korpe mogu biti promjera do 1,5 m uz protok otpadne vode do 12,0 L s-1. Brzina okretaja centrifuge je od 1000 do 6000 o min-1.

Uređaj za aerobnu biološku obradu otpadne vode s aktivnim muljem je pravokutni bazen i najčešće s mehaničkom aeracijom kako je prikazano u slici 2.23.

2.23. Fotografski snimak bioaeracijskog bazena s mehaničkom aeracijom

Oksidacijski bazeni (kanali, jarci) se također koriste za obradu otpadnih voda s aktivnim muljem. U ovim se sustavima obrada provodi u kružnim i u elipsastim kanalima određene širine. Miješanje i aeracija obavljaju se mehaničkim rotorima djelomično uronjenima u otpadnu vodu. Oksidacijski kanali su primjer sustava s produženom aeracijom, te se najčešće primjenjuju za obradu otpadnih voda u ruralnim područjima, manjim naseljima i u industrijskim pogonima gdje izlazni otpadni tokovi nisu jako opterećeni organskom tvari (sličan sastav kao kućanske otpadne vode).

Aerirane lagune su mala umjetna jezera ili bazeni dubine između 0,8 do 2,5 m. U lagunama se u prvom redu postiže taloženje suspendiranih tvari iz otpadnih voda, a u toplijim krajevima dolazi i do njihove djelomične biološke obrade. Za takve sustave je potrebno dovoljno slobodnog prostora i povoljni klimatski uvjeti. Ovakvi uređaji se mogu primijeniti za obradu otpadne vode iz šaržnih proizvodnji (šećerane, naftno-petrokemijska industrija).

Rotirajući biološki uređaji poznati su pod trgovačkim nazivima BIO-DISK i BIOROLL. Pogodni su za obradu kućanskih otpadnih voda manjih naselja ili otpadnih voda iz industrijskih pogona po sastavu sličnih kućanskim otpadnim vodama ukoliko ne postoji kanalizacijski sustav za odvodnju u zajednički kolektor. Ovi uređaji se sastoje od primarnog taložnika, biološke zone i sekundarnog taložnika. Na rotirajućem disku se stvara imobilizirani sloj (opna) mikroorganizma poput onog kod biofiltracije. Naizmjeničnim uranjanjem biološke opne u otpadnu vodu, bakterijska masa se opskrbljuje hranjivim tvarima a prolazom kroz zrak potrebnim kisikom (slika 2.24.).

Slika 2.24. Shematski prikaz presjeka biofilma (lijevo) i presjek diska s ugrađenim cijevima za dodatnu aeraciju

i učinkovitiju difuziju O2 u biološku opnu (desno)


50

Danas se upotrebljavaju novi materijali za ispunu diskova kao što su poliuretanske mase.

Prednost im je što posjeduju brojne pore koje povećavaju površinu bioopne, pa obrada otpadne vode postaje učinkovitija. Tijek obrade otpadne vode u biorotoru je prikazan u slici 2.25. kako slijedi:

1. Aeracija otpadne vode pumpama uz prethodnu primarnu obradu i rast opne (biofilm) mikroorganizama na poliproplenskim rotorima

2. Biološko pročišćavanje u bio-sekcijama biorotora 3. Biološka razgradnja, stabilizacija mulja 4. Mjerna komora, mogućnost recikliranja vode

Slika 2.25. Shematski prikaz poprečnog presjeka biodiska Detaljniji postupak obrade vode u biorotoru prikazan je u slici 2.26. kako slijedi:

1. Prihvatno ulazna komora, prvi stupanj obrade otpadne vode 2. Prepumpna podizna stanica 3. Aeracijski bazen i aeratori, biološka predobrada, obogaćivanje vode kisikom iz

zraka i istjerivanje amonijaka 4. Primarni bazen, dozator biomase za rotirajući polipropilenski rotor 5. Rotor ispunjen polipropilenskim saćastim blokovima 6. Sekundarni bazen, taloženje pročišćene otpadne vode

Slika 2.26. Shematski prikaz detaljnog tijeka obrade otpadne vode u biorotoru

Konstruirana močvarna staništa se u novije vrijeme primjenjuju za aerobnu biološku obradu sanitarne otpadne vode (gospodarstva, naselja, kampovi) u povoljnim klimatskim uvjetima. Dno i bočne stranice na određenoj lokaciji oblažu se nepropusnom folijom. Polažu se cijevi za protok otpadne vode. Iznad toga se postavlja metalna mreža koja se prekriva supstratom i šljunkom. Na tako uređenu plohu sade se močvarne biljke (slika 2.27.). Njihov korjenski sustav ima funkciju pročišćavanja otpadne vode koja protječe kroz tako konstruirani uređaj. Prije ulaza u ovu vrstu uređaja, otpadna voda se podvrgava prethodnom stupnju obrade pri čemu se uklanjanju krupnije čestice i suspendirane tvari.


51

Slika 2.27. Fotografski snimak faze izgradnje (lijevo) i uređaj u funkciji i rast trske (desno)

Obrada i odlaganje muljeva

Pri uklanjanju otopljenih i suspendiranih tvari iz otpadne vode nastaju različiti muljevi.

Količine i značajke muljeva ovise o podrijetlu otpadne vode, vrsti uređaja za obradu i postupku obrade. Obrada mulja je neophodna kako bi se smanjio volumen i spriječilo širenje neugodnog mirisa. Izbor postupaka obrade muljeva je sljedeći: Koncentriranje – gravitacijskim ili flotacijskim ugušćivanjem Stabilizacija – anaerobna i aerobna razgradnja (uklanjanje patogenih mikroorganizama) Kondicioniranje – a) dodatak anorganskih ili organskih koagulanata

b) toplinska obradba (sterilizacija, deodorizacija) Odvlaživanje – smanjenje sadržaja vode vakuum filtracijom i centrifugiranjem, polusuhi

mulj se odlaže u odlagalište, na površinu tla, spaljuje ili suši Kompostiranje – razgradnja organske tvari u aerobnim uvjetima, uz optimalnu vlagu i toplinu.

Rezultat procesa je stabilni produkt kompost, te ovisno o njegovoj kakvoći može se koristiti u poljoprivredi kao organsko gnojivo, zatim oplemenjivanje tla ili popunu udubina u tlu.

Literatura uz Poglavlje 2.:

1. Bitton G., Wastewater Microbiology, John Wiley & Sons, New York, 1996.. 2. Carson P.A., Mumford C.J., Hazardous Chemicals Handbook, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2002. 3. Casey T.J., Unit treatment processes in water and wastewater engineering, John Wiley & Sons,

Chichester, 1996. 4. Eckenfelder W.W., Jr., Industrial Water Pollution Control, 2nd Ed., McGraw-Hill, New York, 1998. 5. Metcalf & Eddy, Inc. Wastewater Engineering – collection, treatmment ans disposal, Tatat McGraw-

Hill Publishing Company Ltd., New Delhi, 1978 6. Pravilniku o kakvoći vode za piće , Narodne novine NN 47/08, 2008. 7. Salvato J.A., Nemerow N.L., Agardy F.J., Environmental engineering 5th Ed., John Wiley &Sons, Inc.,

New Jersey, 2003. (spaljivanje otpada,radijacija, ) 8. Shuler M.L., Kargi F., Bioprocess Engineering, 2002, Prentice hall PTR Upper Sadle River, 2002. 9. Sundstrom D.W., Klei H.E., Wastewater treatment, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, 1979. 10. Standard methods for the examination of water and wastewater, 19th Ed., United Book Press Inc.,

Baltimore 1998. 11. Zakon o vodama RH, Narodne novine NN 153/09, 2009.

Pojmovnik 2. poglavlja: Efluent: jedinstven naziv za tehnološke otpadne vode koje se pročišćene ili nepročišćene ispuštaju u sustav javne odvodnje ili u površinske vode i otpadne vode sustava javne odvodnje koje se pročišćene ili nepročišćene ispuštaju u površinske vode.


52

ES (ekvivalent stanovnik: znači organsko biorazgradivo opterećenje od 60 g O2 dnevno, iskazano kao petodnevna biokemijska potrošnja kisika (BPK5). Estuarij: prijelazno područje na ušću rijeke između slatke vode i priobalnih voda. Eutrofikacija: obogaćivanje vode hranjivim tvarima, spojevima dušika i/ili fosfora, koji uzrokuju ubrzani rast algi i viših oblika biljnih vrsta, te dovodi do neželjenog poremećaja ravnoteže organizama u vodi i promjene stanja voda. Izvorište: mjesto na zemljišnoj čestici iz kojeg podzemna voda prirodno izvire na površinu odnosno mjesto na zemljišnoj čestici s kojeg se kroz bušotinu crpi voda iz tijela podzemnih voda. Jezero: vodno tijelo stajaće površinske vode. Komunalne otpadne vode: otpadne vode sustava javne odvodnje koje čine sanitarne otpadne vode, oborinske vode ili otpadne vode koje su mješavina sanitarnih otpadnih voda s tehnološkim otpadnim vodama i/ili oborinskim vodama određene aglomeracije. Kondicioniranje: postupak pročišćavanja zahvaćene vode namijenjene za korištenje ljudima. Kopnene vode: sve stajaće ili tekuće vode na površini tla i sve podzemne vode na kopnenoj strani od crte niske vode na obali kopna. Monitoring: proces opetovanog promatranja jednog ili više pokazatelja kakvoće i količina voda, prema utvrđenom programu. Obala: pojas zemljišta uz korito tekućih i drugih površinskih voda koji služi pristupu vodi i redovitom održavanju korita. Onečišćenje podzemnih voda: izravno ili neizravno ispuštanje tvari ili energije u podzemne vode, rezultat čega može biti ugrožavanje ljudskog zdravlja ili opskrbe vodom, nanošenje štete živim resursima i vodnom ekosustavu ili ugrožavanje drugih zakonitih korištenja voda, odnosno ugrožavanje i negativan utjecaj na druge resurse zaštićene posebnim propisima. Onečišćenje voda za kupanje: prisutnost mikrobiološkog onečišćenja ili onečišćenja drugim organizmima ili otpadom koji utječe na kakvoću površinskih voda za kupanje i koji čini opasnost za zdravlje kupača. Onečišćujuće tvari: tvari koje mogu izazvati onečišćenje, uključivo opasne, prioritetne i druge onečišćujuće tvari. Opasne tvari: tvari ili skupine tvari koje su toksične, postojane, karcinogene, mutagene, teratogene, bioakumulativne i druge tvari ili skupine tvari koje izazivaju jednaku razinu opasnosti. Otpadne vode: sve potencijalno onečišćene tehnološke, sanitarne, oborinske i druge vode. Otpadni mulj: preostali, obrađeni ili neobrađeni dio mulja iz uređaja za pročišćavanje komunalnih otpadnih voda. Podzemne vode: sve vode ispod površine tla u zoni zasićenja i u izravnom dodiru s površinom tla ili podzemnim slojem. Površinske vode: kopnene vode, osim podzemnih voda te prijelazne vode; izraz »površinske vode« uključuje i priobalne vode, te vode teritorijalnog mora. Pročišćavanje komunalnih otpadnih voda: obrada komunalnih otpadnih voda mehaničkim, fizikalno-kemijskim i/ili biološkim procesima. Rijeka: kopneno vodno tijelo koje najvećim dijelom teče površinom tla, ali može i dijelom toka teći ispod zemlje. Sanitarne otpadne vode: otpadne vode koje se nakon korištenja ispuštaju iz stambenih objekata, ugostiteljstva, ustanova, vojnih objekata i drugih neproizvodnih djelatnosti i uglavnom potječu od ljudskog metabolizama i aktivnosti kućanstava. Slatka voda: prirodna voda s niskim koncentracijama mineralnih tvari koja se često smatra prikladnom za crpljenje i preradu u proizvodnji vode za piće. Tehnološke otpadne vode: sve otpadne vode koje nastaju u tehnološkim postupcima i ispuštaju se iz industrijskih objekata za obavljanje bilo kakve gospodarske djelatnosti, osim sanitarnih otpadnih voda i oborinskih onečišćenih voda. Vodni okoliš: vodni sustav, uključivo vodne i o vodi ovisne ekosustave (organizme i njihove zajednice), čovjeka te materijalnu i kulturnu baštinu koju je stvorio čovjek u ukupnosti uzajamnog djelovanja. Vodonosnik: podzemni sloj ili slojevi stijena ili drugih geoloških naslaga dovoljne poroznosti i propusnosti koji omogućuje značajan protok podzemnih voda ili zahvaćanje znatnih količina podzemnih voda: Vodotok: čini korito tekuće vode zajedno s obalama i vodama koja njime stalno ili povremeno teku.

3. Tlo i onečišćenje tla

53

Poglavlje 3: TLO I ONEČIŠĆENJE TLA

Tlo se definira kao površinski sloj zemljine kore sačinjen od mineralnih čestica, organske tvari, vode, zraka i živih organizama, koje povezuje litosferu, atmosferu i hidrosferu te udomljuje veći dio biosfere. Smatra se da je tlo neobnovljiv ili uvjetno obnovljiv resurs zbog izrazito sporog procesa tvorbe. Većina tala se stvarala milijunima godina, zato se ne mogu nadomjestiti ukoliko nestanu zbog erozije. Vjerojatno je istina ako se kaže da tlo predstavlja ljudima glavni resurs jer osigurava: hranu, biomasu, sirovine, staništa i rezerve gena; skladišti, filtrira i izmjenjuje hranjive tvari, vodu i ugljik.

Tlo je izrazito složen i kompleksan medij i podložan je procesima propadanja i prijetnjama koje u kratkom vremenskom razdoblju mogu ozbiljno ugroziti i onesposobiti njegove funkcije. Posljedice se očituju kroz smanjenje plodnosti tla, biološke raznolikosti, kakvoće zraka i vode, te klimatske promjene.

Arheološka istraživanja ukazuju da su nekadašnje napredne civilizacije također uništavale tlo. Njihova propast se vjerojatno može pripisati progresivnoj eroziji i sve donedavno su brojna istraživanja ukazivala da je i civilizacija Maja u Centralnoj Americi nestala zbog toga. Međutim, 2012. godine su profesori M. Medina-Elizalde i E.J. Rohling objavili u časopisu Science svoja najnovija istraživanja koja ukazuju da su klimatske promjene (800. - 950. g.) bile jedan od glavnih razloga propasti moćne civilizacije Maja.

Poslije višestoljetnog korištenja odnosno nepravilnog korištenja zemljišta, danas raste svijest o ulozi tala u okolišu i o njihovom značaju za život najvećeg broja organizama. Još prije dvadesetak godina malo se poštovanja pokazivalo prema tlu, te brinulo o optimalnom upravljanju.

3.1. TLO KAO PRIRODNI FENOMEN I UPORABA ZEMLJIŠTA

Zdravo tlo osigurava čisti zrak i vodu, obilje usjeva i šuma, produktivno tlo, mnoštvo divljači i prekrasne krajobraze. Može se reći da tlo ima pet osnovnih funkcija kako slijedi:

1. Regulira vodu – tlo kontrolira kamo odlazi kiša, otopljeni snijeg i voda za navodnjavanje 2. Održava život biljaka i životinja 3. Filtrira potencijalno onečišćenje – minerali i mikrooranizmi u tlu su odgovorni za

filtriranje, kao pufer, razgradnju, imobiliziranje i detoksikaciju organskih i anorganskih tvari

4. Osigurava kruženje hranjivih tvari – ugljik, dušik, fosfor i mnoge druge hranjive tvari su pohranjene, transformirane i kruže u tlu

5. Potporna struktura – građevine trebaju stabilno potporno zemljište

Pedologija je znanost o tlu. Tlo (pedosfera) je vrlo kompleksno a sastoji se od sitnih čestica minerala, zraka, vode, organskih tvari i različitih vrsta živih organizama (tablica 3.1.). Količina i zastupljenost ovih konstituenata na površini Zemlje je vrlo različita od mjesta do mjesta.

Najčešće se misli da je tlo samo prvih nekoliko centimetara površine, odnosno samo gdje dopire korijenje biljaka. Međutim istražujući tlo kopanjem, pedolozi vizualnim pregledom utvrđuju pojedine karakteristične slojeve tla (slika 3.1.). Prema razlikama u boji pojedinih slojeva saznaje se o profilu tla na određenom području. Debljina sloja tla najčešće se kreće od jednog do tri metra. Kada se govori o tlu, tada treba imati na umu da je tlo samo dio jednog većeg kompleksnijeg sustava.


54

Tablica 3.1. Zastupljenost pojedinih konstituenata u tlu

Konstituenti tla Postotak (%) čestice minerala 45 zrak 25 voda 25 organska tvar

- humus - korjenje - organizmi

5 - (80) - (10) - (10)

Slika 3.1. Fotografski snimak istraživanja karakterističnih slojeva tla

Za lakše razumijevanje, međuodnosi koji vladaju u tlu se mogu razdvojiti u veći broj jednostavnijih kružnih tokova, a među njima su najvažniji sljedeći: kružni tok dušika, kružni tok ugljika, kružni tok kisika, kružni tok minerala i kružni tok vlage. Nastajanje tla

Dokučaev, poznati ruski pedolog, dokazao je da tla ne nastaju slučajno, te da je za njihov nastanak značajna interakcija (međuodnos) između sljedećih čimbenika: izvorna stijena (roditeljski materijal), klima, organizmi, topografija i vrijeme (slika 3.2.).

KLIMA

RELJEF

ORGANIZMI

RODITELJSKI MATERIJAL

VRIJEME

Procesi Značajke tla

Slika 3.2. Shematski prikaz čimbenika koji utječu na formiranje tla Roditeljski materijali potječu od minerala i/ili organskih tvari. Minerali potječu od

vulkanskih, taložnih ili preobraženih stijena. Po kemijskom sastavu minerali se mogu podijeliti u silikate i nesilikate. Silikatni minerali posjeduju vrlo kompleksnu strukturu u kojoj osnovnu jedinicu predstavlja silicij oksid tetrahedron. Ion silicija smješten je u sredini


55

koordinatnog sustava i okružen je s četiri blisko postavljena i jednako udaljena iona kisika. U nesilikatne minerale ubrajaju se oksidi, sulfati, kloridi, karbonati i fosfati. Većina ih ima jednostavnu strukturu. Međutim, razlikuju se po topivosti i otpornosti na klimatske uvjete.

U tlu prevladavaju minerali sa silicijem poput kvarca i silikati uz katione Ca i Mg, spojevi s aluminijem i kationi Na i K (feldspar), spojevi sa željezom (najčešće Fe II) i to biotit, piroksen i olivin. Od nesilikata prevladavaju kalcit i dolomit, te spojevi s fosforom (najčešće apatit) čija je rasprostranjenost ograničena. Osim od minerala, tlo se može formirati i od taloga nastalih gibanjem ledenjaka, vulkana, vode, vjetra ili materijala koji se gibaju niz padine, te od organskih materijala i stare površine tla.

Klima utječe na morfogenezu tla dvojako i to izravno putem temperature i padalina, te neizravno vrstom i gustoćom biljnog pokrova. U izravne učinke se ubrajaju velika količina oborina koja ubrzava kemijsko raspadanje izvornog materijala, izlužuje minerale iz tla i povećava kiselost tla, dok će mala količina oborina usporiti kemijsko raspadanje, povećat će koncentraciju soli u tlu i povećat će lužnatost tla a pri višim temperaturama raste brzina kemijske reakcije. U neizravne učinke na tlo se ubrajaju klima koja omogućava rast biljaka a što ubrzava zrelost tla, zatim izraziti rast biljka povećava kiselost tla i ubrzava kemijsko raspadanje stijene ili njezinih sitnijih frakcija, te ujedno povećava udio organske frakcije u tlu i smanjuje izluživanje minerala iz tla. Tako je primjerice, u tropskim područjima prisutno vrlo zrelo plitko tlo dok su u suhim područjima nezrela tla. Temperatura, odnosno promjene temperature u atmosferi i tlu su značajni pokazatelji dospijeća sunčeve energije na površinu Zemlje. Pri tome se jedan dio energije adsorbira i pretvara u toplinu dok se drugi dio reflektira natrag u atmosferu. Količina adsorbirane energije ovisi o boji tla: tamna tla adsorbiraju najveću količinu energije i ona su najtoplija. Jedan dio topline se zadržava u tlu, nešto odlazi u atmosferu zbog konvekcije toplog zraka iz tla, a određeni dio topline troši se na isparavanje vlage iz tla. Osim toga na temperaturu tla utječe i biljni pokrov. On služi kao pufer. Pokrov adsorbira i reflektira dio topline natrag na tlo, koja se gubi zbog povratnog zračenja u atmosferu. Zato su manje temperaturne promjene u šumskim tlima nego na otvorenim površinama. Nadalje, vlaga i gibanje vlage u različitim horizontima tla je proces od najvećeg značenja. Vlaga u tlu potječe od padalina i sadrži znatnu količinu CO2. Zbog toga je pravilnije o vlazi razmišljati kao o razrijeđenoj slaboj kiselini koja je mnogo reaktivnija od čiste vode. Jačina padalina na površini Zemlje razlikuje se od mjesta do mjesta. Slabi pljuskovi ne prodiru dovoljno u tlo i voda brzo ispari. Kod jakih pljuskova vlaga se može akumulirati pri površini tla ukoliko je glinene strukture i formirati bujice koje stvaraju eroziju tla. Kod pjeskovitih tala voda brzo prodire u dubine. Pokrovna vegetacija također može spriječiti prodor padalina u tlo.

Organizmi, uključujući one koji žive na površini i one u tlu, utječu na razvoj tala. Aktivne komponente ekosustava tla su vegetacija, kralježnjaci, mikroorganizmi i mezofauna.Više biljke pružaju svoje korijenje u tlu, služe kao vezivo i tako sprječavaju eroziju. Osim stablašica i trave su vrlo učinkovite. Osim toga, korijenje može rasti unutar kamenih pukotina šireći ih. Nakon odumiranja biljke i raspadom korijenja, nastaje mreža kanala kroz koju voda i zrak mogu slobodno prolaziti. Jedan od najvećih doprinosa viših biljaka nakon odumiranja, jest obogaćivanje površine tla organskom tvari. Neki sisavci kao što su zečevi, krtice i prerijski psi, ukopavaju se duboko u tlo, što dovodi do miješanja tla. Donji slojevi dospijevaju na površinu. Međutim, nekontroliranom ispašom koza potpuno se uništava vegetacija i takva površina tla izložena je eroziji. Ovakve štete su naročito prisutne u mediteranskim zemljama. Od mikroorganizama u tlu prevladavaju bakterije, aktinobakterije, plijesni, alge i virusi. Najraširenije su bakterije i to uglavnom štapićastog oblika. Može ih biti i nekoliko milijuna u 1 g tla. Aktinobakterije su sljedeći po raširenosti i uglavnom su prisutne u tlima suhih toplih pašnjacika i u neutralnim tlima. Vrlo su značajne jer razgrađuju organske tvari i to poglavito polisaharide i hitin. Alge uobičajeno prve naseljavaju novostvoreni materijal u vlažnim


56

uvjetima, kao što su močvarna polja i brojni arktički plićaci. Kada ih nastane u dovoljnoj količini, stvaraju tanku koricu na površini tla sprječavajući eroziju. Osim toga, omogućuju prisustvo organske tvari u tlu i inicijatori su kružnog toka ugljika i dušika. Raširenost mikroorganizama u tlu ovisi o prisutnosti izvora hranjivih tvari i zato ih najviše ima u površinskom horizontu, gdje se odvija veliki broj bioloških aktivnosti. U tlu su prisutne četiri grupe mikroorganizama koje su podijeljene prema njihovoj potrebi za ugljikom i energijom. To su fotoautotrofi (modrozelene alge), fotoheterotrofi, kemoautotrofi (nitrificirajuće bakterije) i kemoheterotrofi (protozoe, aktinobakterije, fungi i većina bakterija). U mezofaunu se ubrajaju crvi, nematode, kukci, brojni insekti, mravi kao i termiti. Oni gutaju hranu i na taj način razgrađuju organsku tvar. Mnoge gliste probavljaju i mineralne i organske tvari. Također transportiraju (prenose) materijal s jednog mjesta na drugi i stvaraju prolaze koji omogućavaju bolje vlaženje i prozračivanje tla.

Reljef ili topografija uključuje dramatične planinske masive ali i bezlične ravnice. Poznato je iz brojnih istraživanja da se zbog klimatskih uvjeta i erozije cijela površina zemljišta stalno mijenja, pa i područja gdje prevladava granit. Topografija nije statična nego tvori dinamički sustav, a proučavanje toga poznato je pod nazivom geomorfologija. Topografija značajno utječe na razvoj tla. Npr. debljina tla određuje se prema porijeklu izvornog materijala. Tako u ravnicama ili na blagim padinama, gdje materijal ostaje na mjestu nastaje deblji sloj tla, a na većim nagibima prijeti erozija, jer se stvara tanji sloj tla s puno stijena. Topografija utječe na procjeđivanje i vlagu u tlu. Tri glavna procesa utječu na topografski oblik: tektonski proces, erozija i taloženje. U početku stvaranja Zemlje bili su samo tektonski procesi. Zatim su na površinu djelovali voda, led, mraz i vjetar kao glavni čimbenici erozije i taloženja.

Vrijeme nastajanja tla je vrlo dugi i spori proces koji zahtijeva tisuće pa čak i milijune godina. Nisu se sve vrste tla razvile u istom vremenskom razdoblju, ali većina ih se počela formirati (stvarati) tijekom zadnjih 100 milijuna godina. Neki horizonti su se razvili prije od drugih, naročito oni pri površini. Horizonti kojima je neophodna velika količina klimatskog utjecaja na prisutno kamenje, razvijat će se više od milijun godina.

Naprijed navedenih pet čimbenika u kombinaciji s fizikalnim, kemijskim i biološkim procesima tvore široki raspon tala koja se javljaju na površini Zemlje. Neki primjeri tala su podzol, feralsol i černozem. Podzol nastaje od pješčanih dina u hladnim vlažnim uvjetima, a glavni procesi koji se odvijaju su translokacija i akumulacija. Feralsol nastaje od stijena koje su izložene progresivnom raspadanju u vrućim vlažnim uvjetima. Černozem se formira od naslaga, vrlo sitne čestice materijala nošene vjetrom u hladnim polusuhim prodručjima, a procesi su vezani uz izrazitu aktivnost faune i translokaciju karbonata. Procesi u tlu

Tla su kompleksni sustav gdje se odvija bezbroj procesa. Ovi procesi se mogu razvrstati kao fizikalni, kemijski i biološki, ali među njima nema oštre granice. U fizikalne procese se ubrajaju agregacija, translokacija, smrzavanje i otapanje, ekspanzija (širenje) i kontrakcija (skupljanje), u kemijske procese hidratacija, hidroliza, otapanje, formiranje minerala gline, oksidacija i redukcija, te u biološke procese humifikacija, transformacija (pretvorba dušika), translokacija.

Pri fizikalnim procesima stijene se raspdaju u manje komade, povećava se površina na kojoj se onda može odvijati i kemijsko razlaganje minerala. Voda prodire u pukotine i širi se tijekom smrzavanja pri čemu dolazi do lomljenja stijene. Stijene se sudaraju jedna o drugu i dolazi do abrazije a temperaturne promjene, poput zagrijavanja i hlađenja utječu na širenje (ekspanzija) i skupljanje (kontrakcija) pri čemu se i opet stijena lomi. Nadalje se korjenje biljaka širi u pukotinama stijena i razbija stijenu, dok se životinje ukopavaju pri čemu izlažu stijenu zraku i daljnjim promjenama. Promjena vlage odnosno vlaženje i sušenje stijene je


57

učinkoviti fizikalni proces jer se stijene koje sadrže glinu lome. Ova vrsta stijene se raspada jer se mokra glina širi i dolazi do listanja poput škriljca (metamorfna stijena).

Oksidacija, hidroliza i otapanje su najčešći kemijski procesi koji utječu na raspadanje stijena. Kisik iz zraka reagira s željezom u mineralima i tvori željezov oksid (hematit). Kako mnogi minerali sadrže željezo nije neobično vidjeti crveno obojene stijene. Hidroliza se javlja kada minerali reagiraju s vodom pri čemu nastaju neki drugi produkti. Tako na primjer, feldspar (česti mineral u stijenama) reagira s vodom i tvori kaolinit (vrsta gline) i dodatne ione koji su otopljeni u vodi kako slijedi:

4 KAlSi3O8 + 4H+ + 2H2O → Al4Si4O10(OH)8 + 4K+ + 8SiO2

feldspar + ioni vodika + voda → glina + otopljeni ioni

Nakon toga se fizikalnim procesom slabija glina lagano razgradi. Ugljikov dioksid nastao raspadanjem organske tvari ili iz atmosfere miješa se s vodom i nastaje karbonizirana voda. Ova voda je slabo kisela i otapa kalcit, te se izvorni mineral pretvara u glinu. Ovaj proces utječe na stvaranje spilja i krške topografije.

Kod biološkog procesa živi organizmi pomažu u kemijskom ili fizikalnom procesu raspadanja stijena. Aktivnost stabla i životinja je već ranije spomenuta. Gliste i insekti su prirodni pomagači jer staro lišće, koru drveta ili otpalo voće pretvaraju u plodno tlo. Mikroorganizmi razgrađuju biljne i životinjske ostatke koji se nalaze na površini tla. Razgradnja ili humifikacija je izrazito kompleksan proces ali i transformacija dušika poput amonifikacije, nitrifikacije, denitrifikacije i fiksiranje dušika (tablica 3.2.).

Tablica 3.2. Mikroorganizmi odgovorni za kemijske reakcije u tlu Proces Kemijska reakcija Mikroorganizmi Fiksiranje 2N2 + 6H2O = 4NH3 + 3O2 Rhizobium, Azobacter,

Gloeocapsa,Plectonema Sinteza aminokiselina 2NH3 + 2H2O + 4CO2 = 2CH2NH2COOH + 3O2 Mnoge bakterije i drugi organizmi

Nitrifikacija I 2NH4+ + 3O2 = 2NO2

- + 4H+ + 2H2O Nitrosomonas Nitrifikacija II 2NO2

- + O2 = 2NO3- Nitrobacter

Denitrifiikacija 4NO3- + 2H2O = 2N2 + 5 O2 + 4OH- Pseudomonas

Denitrifikacija 5S + 6KNO3 + 2CaCO3 = 3K2SO4 + 2CO2 + 3N2 Thiobacillus denitrificans Denitrifikacija C6H12O6 + 6NO3

- = 6CO2 + 3H2O + 6OH- + 3N2O *Mnogi mikroorganizmi * N2O je staklenički plin, 280 puta jači od CO2

Fungi i lišajevi su mikroorganizmi koji žive na površini stijena i tijekom svog metabolizma proizvode kiseline koje otapaju fosfor i kalcij unutar stijene, pa tako pomažu u razlaganju stijena (slika 3.3.).

Slika 3.3. Rast lišaja (lijevo) i biljaka (desno) na kamenu


58

Humus je biokemijska supstanca koja tvori gornje slojeve tla tamne boje. Humus se ne može vidjeti odvojeno jer se on veže uz veće minerale ili organske čestice. Tvorba humusa teče u nekoliko faza. U prvoj fazi se razgrađuju jednostavni spojevi poput šećera i škroba, zatim proteini, celuloza, hemiceluloza i konačno teško razgradivi spojevi poput tanina. Postupno se materijal razgradi te nastaje spoj znan kao humus, a cijeli proces traje između sedam i deset godina. Humus je vrlo koristan u tlu jer poboljšava zadržavanje i pohranu vlage u tlu, smanjuje ispiranje topivih hranjivih tvari iz tla, primarni je izvor ugljika i dušika potreban biljkama i poboljšava strukturu tla koja je neophodna za njihov rast. Svojstva tla

Fizikalna svojstva tla su tekstura, boja, struktura i poroznost. Na teksturu tla utječe vrsta i veličina čestica odnosno omjer pijeska, mulja i gline. Pijesak je najveća i hrapava čestica veličine 0,06 - 2 mm, mulj je srednje veličine svilenkast ili praškast, veličine 0,002 – 0,06 mm a glina je najsitnija čestica, ljepljiva i tvrda kada je suha, veličine <0,002 mm. Odnos ovih triju vrsta čestica utječe na kapacitet zadržavanja vode u tlu. Tla sitne teksture zadržavaju više vode nego tla grube teksture ali ne znači da je to i idealno. Tla srednje teksture su najpogodnija za rast bilja. Glavne vrste strukture tla (izgled agregata) u tlu su zrnata (najčešće pri površini tla s visokim sadržajem organske tvari), u bloku (prisutno u dubljem sloju u vlažnim područjima), prizmatična (okomiti stupovi u nižim horizontima tla), stupolika (okomiti stupovi sa slanom kapom u suhim područjima), pločasta (plosnate horizontalne ploče u kompaktnim tlima) i pjeskovita (odvojene čestice u pjeskovitim tlima) kako je prikazano u slici 3.4.

Slika 3.4. Prikaz strukture tla Boja tla može biti različita i u vodoravnom sloju i u okomitom stupcu. Na boju tla utječe više čimbenika. U vlažnim tropima, tla su najčešće crvena ili žuta zbog oksidacije iona željeza i aluminija. Pašnjaci u umjerenim područjima sadrže puno humusa pa su tla crne boje. Tla crnogoričnih šuma su sive boje zbog izrazitog izluživanja željeza. Visoka razina vodonosnika izaziva redukciju željeza pa tla imaju zelenkastu i sivoplavu nijansu. Organske tvari daju tlu crnu boju. Ponekad su u tlu prisutni materijali koji daju druge boje poput bijele od kalcijevog karbonata te crne od manganovog oksida i ugljikovih spojeva. Tla posjeduju različitu sposobnost prozračivanja i specifični toplinski kapacitet. Tako tla koja imaju velike pore brzo se ocjede (pjeskovita tla) i zadržavaju vrlo malo vode, posjeduju najveći volumen


59

prozračivanja, te se brzo zagrijavaju u proljeće a u jesen i brže hlade. Nasuprot tome, tla s malim porama (glinena tla) imaju visoki sadržaj vode, najnižiji je volumen prozračivanja, te imaju visoki specifični toplinski kapacitet, jer se u proljeće sporije griju ali u jesen i sporije hlade.

U kemijska svojstva tla se ubrajaju kapacitet kationske izmjene (KKI), vrijednost pH, elektrovodljivost, masa organske tvari, omjer ugljika i dušika (C:N). Kapacitet kationske izmjene je sposobnost tla da zadrži katione. Čestice tla se sastoje od silikata i alumosilikatne gline, koloidi su negativno nabijeni, pa se kationi (H+, Ca2+, Mg2+, K+, NH4

+, Na+) vežu ionskom vezom na površinu tih koloidnih čestica. KKI poljoprivrednih tala je manji od 5 u pjeskovitim tlima s malo organske tvari, te preko 20 u određenim glinenim tlima i onima koji sadrže puno organske tvari. Također tla s niskim KKI imaju slabu sposobnost pohrane hranjivih soli pa je takvo tlo podložno njegovom brzom izluživanju.

U tlima se odvijaju brojne anorganske i organske kemijske reakcije. Vrijednost pH tla je jedna od najznačajnijih kemijskih svojstava jer utječe na reakcije u tlima. Vodikovi ioni se nalaze u matrici tla i na pH vrijednost tla izrazito utječe koncentracija slobodnih H+ iona. Vodikovi ioni su dostupni matrici tla zbog disocijacije vode, aktivnosti korjenja brojnih biljaka i mnogih kemijskih reakcija. pH izravno utječe na plodnost tla kroz topivost mnogih hranjivih soli. Pri pH nižoj od 5,5 mnoge hranjive soli postaju jako topive i lagano se izluže iz profila tla. Pri visokoj vrijednosti pH hranjive soli postaju netopive, pa ih biljke ne mogu lagano ekstrahirati. Maksimalna plodnost tla je u rasponu od 6,0 do 7,2. Većina hranjivih soli u tragovima najdostupnija je biljkama u neutralnim do slabo kiselim tlima. Tako su bor i molibden toksični u vrlo alkalnim tlima dok su željezo, aluminij i mangan toksični u vrlo kiselim tlima. Tla sadrže 90% organskih spojeva (CHO) i 10% elemenata poput S, P, N, K, Ca i Mg. Brojne bakterije i fungi razgarđuju organske spojeve pri čemu nastaju hranjive tvari koje apsorbiraju biljke ili mikroorganizmi, te humus, amorfni koloid, koji poboljšava kapacitet kationske izmjene i zadržavnje vode u tlu. Tlo najčešće ima omjer C:N 12:1, a ako je C:N veći od 50:1 tada će bakterije potrošiti prisutni dušik i biljke će biti neaktivne dok se C:N ne izbalansira.

U biološka svojstva tla se ubrajaju makroflora i mikroflora. Od brojne mikroflore bakterije su brojčano najzastupljenije, a rodovi bakterija koji su najčešće prisutni u tlima prikazani su u tablici 3.3.

Tablica 3.3. Najčešće prisutne aerobne i fakultativno anaerobne bakterije u uzorcima tala

Rod Pojava u uzorcima tla (%) Arthrobacter 3 - 65 Bacillus 5 - 70 Actinomycetes 5 - 33 Pseudomonas 3 - 15 Agrobacterium 1 - 20 Flavobacterium 2 - 10 Alcaligenes 2 - 10 Corynebacterium 0 - 5 Micrococcus 0 - 5 Staphylococcus 0 - 5 Xanthomonas 0 - 5 Mycobacterium 0 - 5

Većina tala posjeduje izražene horizontalne slojeve (horizonte). Ti slojevi su rezultat brojnih procesa koji su djelovali na izvornu stijenu (roditeljski materijal) tijekom formiranja tla. Tlo se formira od dna stijene koje polako erodira pri svom vrhu. Biljni pokrov štiti od


60

erozije i omogućava da se tlo postupno razvije. Ali taj proces nije tako jednostavan. U tlu može biti najčešće do pet slojeva koji su označeni slovima O, A, E, B, C i R, kao što je prikazano u slici 3.5.

Slika 3.5. Profil tla s određenim slojevima O-horizont je gornji sloj gdje prevladava organski materijal, ispod je A-horizont bogat organskom tvari koja je pomiješana s frakcijama minerala i mnoštvom živih bića uz glavninu korjenskog sustava, u E-horizontu se uočava gubitak silikatne gline, željeza ili aluminija a prisutan je pijesak, mulj i čestice otpornih minerala, u B-horizontu prevladava izvorna struktura stijene, iluvijalni materijal, glina, karbonati, željezo i aluminij, u C-horizontu je prisutan materijal koji je vrlo sličan izvornom roditeljskom materijalu, vrlo je malo organske tvari i nema život,a te je na kraju R-horizont tvrdo ležište stijene ispod tla. Uporaba zemljišta

Glavnina ljudske aktivnosti odnosi si se na izravnu ili neizravnu uporabu zemljišta. Napredovanjem industrije zemljištu se postavljaju sve veći zahtjevi. Od tla se očekuje da proizvede više hrane i da podnese više građevina. Na početku civilizacije, ljudi su krčili manje površine zemljišta za svoja naselja i za uzgoj usjeva. Današnjoj civilizaciji zemljište je potrebno za: 1. Uzgoj usjeva i stoke

2. Gradnju tvornica i stanova 3. Gradnju cesta i zračnih luka 4. Gradnju sportskih igrališta 5. Površinske rudnike i šljunčare 6. Prirodne rezervate i parkove 7. Odlaganje kanalizacijskih otpadnih voda, osobito septičkih jama 8. Akumulacije - elektrane, kućanstva, industrijska uporaba i rekreacija

Osim industrijskog razvoja, raste i broj stanovnika u svijetu, pri čemu se javlja kompeticija za zemljištem. Kompeticija se ne odnosi samo na gradsko područje već i na seoske predjele (npr. izraziti sukobi između šumara i farmera). Različiti vidovi kompeticije često dovode do nepravilne uporabe zemljišta pa čak i nastanka šteta koje uključuju:

1. Eroziju tla zbog sječe šuma, slabo kultiviranje ili uništenje vegetacije zbog dimnih plinova iz tvornica

2. Razvoj bolesti zbog uzgoja monokulture (krumpirova zlatica) 3. Onečišćenja zbog dodavanja prevelikih količina pesticida i herbicida 4. Onečišćenje površinskog sloja tla zbog nepravilne konstrukcije septičkih jama ili zbog

prelijevanja. Tako se širi virus hepatitisa.


61

5. Promjena kemijskog sastava tla zbog nepravilnog kultiviranja i prekomjernog zalijevanje vodom za suhih sunčanih dana

6. Odlaganje industrijskog otpada stvarajući ogromna brda.

Danas su brojne zemlje, kako na sjevernoj tako i na južnoj hemisferi, došle do zaključka da ne mogu bez posljedica beskonačno iskorištavati zemljište. Dosadašnja nebriga dovela je do povećanja pustinjskih površina i sve veće erozije tla uslijed prekomjerne sječe šuma. Zato se danas pri planiranju razvoja i napretka određenog područja provode ekološke studije koje uključuju:

1. Kontrolu erozije tla 2. Održavanje plodnosti tla (gnojenje, melioracija, neutralizacija kiselih tala) 3. Upravljanje šumama i sječa samo po potrebi 4. Zaštitu divljači 5. Uklanjanje onečišćenja iz atmosfere i prirodnih voda

Proučavanje tla danas je integralni dio istraživanja koja su vezana uz zaštitu okoliša.

U članku 10. Zakona o zaštiti okoliša (NN 110/07) navodi se: „Tlo je neobnovljivo dobro i mora se koristiti održivo uz očuvanje njegovih funkcija. Nepovoljni učinci na tlo moraju se izbjegavati u najvećoj mogućoj mjeri a u članku 20. zaštita tla obuhvaća očuvanje zdravlja i funkcija tla, sprječavanje oštećenja tla, praćenje stanja i promjena kakvoća tla te saniranje i obnavljanje oštećenih tala i lokacija. Onečišćenje odnosno oštećenje tla smatra se štetnim utjecajem na okoliš, a utvrđivanje prihvatljivih graničnih vrijednosti kakvoće tla provodi se na temelju posebnih propisa.“

U Republici Hrvatskoj je na snazi Zakon o potvrđivanju Konvencije Ujedinjenih Naroda o suzbijanju širenja pustinjskog područja (dezertifikacija) u zemljama pogođenim jakim sušama, osobito u Africi (NN-MU 11/00) kao temeljni međunarodni ugovor o zaštiti tla. Konvencija je usvojena u Parizu 1994., a na snagu je stupila 26. prosinca 1996. godine. Za Republiku Hrvatsku Konvencija je stupila na snagu 4. siječnja 2001. godine.

Značaj motrenja tala naglasila je i Europska Unija, koja je provedbom 6. Akcijskog programa za okoliš „Okoliš 2010: Naša Budućnost, Naš Izbor“ (Decision No 1600/2002/EC of the European Parliament and of the Council of 22 July 2002 laying down the Sixth Community Environment Action Programme) podigla značaj zaštite tla na razinu zaštite vode i zraka. Tematskom strategijom za zaštitu tla (Thematic Strategy for Soil Protection, Communication COM(2006) 231) Europska komisija identificirala je 8 najznačajnijih prijetnji prema tlu: erozija, smanjenje organske tvari, onečišćenje, zaslanjivanje, zbijanje, gubitak biološke raznolikosti, prenamjena, te plavljenja i klizišta. U 2008. godini je Agencija za zaštitu okoliša u suradnji s brojnim znanstvenim institucijama objavila projekt „Izrada programa trajnog motrenja tala Hrvatske s pilot projektom“ LIFE05 TCY/CRO/000105. 3.2. ČVRSTE OTPADNE TVARI

To su sve one tvari koje se ne mogu odvoditi kanalizacijskim sustavom, te se moraju

obraditi drugim postupkom. Usprkos uvođenja "zatvorenih" tehnologija (malo ili bez otpada), količina otpada sve više raste. Nažalost, danas se još uvijek u mnogim nerazvijenim zemljama i u zemljama u razvoju čvrste otpadne tvari odlažu na otvorena odlagališta. Posljedice toga su višestruke. Raspadanjem organske tvari nastaju CO2 i CH4, što pridonosi "učinku" staklenika. Neispravno i nehigijenski odbačen otpad uzrouje požare i eksplozije. Glodari i insekti koji borave na odlagalištima prenose brojne zarazne bolesti. Štetne tvari iz odlagališta prodiru u


62

tlo, vodu i zrak. Vjetar raznosi otpad i umanjujei estetski izgled a osim toga se šire i neugodni mirisi.

U Zakonu o otpadu RH (2004.) se navodi da su osnovni ciljevi postupanja s otpadom izbjegavanje i smanjivanje nastajanja otpada i smanjivanje opasnih svojstava otpada čiji se nastanak ne može spriječiti, te sprječavanje nenadziranog postupanja s otpadom.

Prema Uredbi o kategorijama, vrstama i klasifikaciji otpada i listom opasnog otpada (2005.) u Hrvatskoj se čvrste otpadne tvari klasificiraju kako slijedi:

Inertni otpad - ne podliježe značajnim fizičkim, kemijskim ili biološkim promjenama nije topljiv, nije zapaljiv, na bilo koje druge načine fizikalno ili kemijski ne reagira niti je biorazgradiv.

Neopasni otpad - svaki otpad koji nema neko od svojstava utvrđenih u Prilogu II. ove Uredbe. To je najčešće otpad iz kućanstava ili iz drugih djelatnosti a čiji je sastav isti onom iz kućanstva.

Opasni otpad - određen kategorijama (generičkim tipovima) i sastavinama, a obvezno sadrži jedno ili više od svojstava, utvrđenih Listom opasnog otpada.

Prema Pravilniku o uvjetima za postupanje s otpadom (NN 117/07) odlagališta otpada se dijele na odlagalište za opasni otpad, odlagalište za neopasni otpad i odlagalište za inertan otpad.

Danas je potrebno razmišljati da svatko ponaosob proizvede što manje otpada, zatim otpad sakupljati odvojeno ili ponovo uporabiti, a ostatak je potrebno mineralizirati, kako bi se volumen otpad smanjio na minimum. Ostatak nakon mineralizacije otpada mora biti takav da se može pohraniti na odlagalište. Od sredine prošlog stoljeća odnos nastalog otpada u odnosu na broj stanovnika na planetu se peterostruko povećao u odnosu na početak 20. stoljeća (slika 3.6.)

0

1

2

3

4

5

1900 1920 1940 1945 1960 1962 1980 1990

godina

mili

juni

stanovnika (n)otpad (m3)

masa volumen

0

20

40

60

80

100

masa volumen

prijespaljivanja

poslijespaljivanja

Slika 3.6. Odnos nastalog volumena nezgusnutog kućanskog otpada (m3/god.) i broja stanovnika (n) (lijevo) i odnos mase i volumena otpada prije i nakon spaljivanja (desno)

Činjenica je da je termička prerada otpada ekološki prihvatljivija od odlaganja

neprerađenog otpada. Prve su spaljivaonice u Europi izgrađene 1876. u Engleskoj, a 1893. u Hamburgu u Njemačkoj nakon epidemije kolere. Poznato je da davno izgrađene spaljivaonice ne odgovaraju današnjim standardima kakvoće izlaznih plinova. Međutim, izgradnjom novih spaljivaonica moguće je smanjiti štetne primjese u izlaznom dimu. Prednosti spaljivanja čvrstog otpada u odnosu na odlaganje je u kontroliranoj i brzoj mineralizaciji. Dio energije može se iskoristiti za proizvodnju topline i električne energije. Početna masa otpada smanjuje se na 1/3 od početne i na 1/10 od početnog volumena (slika 3.1.6. desno). Otrovne emisije su minimalne. U novije se vrijeme problem čvrstog otpada pokušava riješiti integralno. U


63

Njemačkoj je od 1986. u politici rješavanja otpada naglašeno sprječavanje nastajanja otpada i njegova ponovna uporaba. Shodno tome ciljevi integralnog zbrinjavanja otpada su sljedeći:

1. Spriječiti nastanak otpada (smanjiti ambalažu, uporaba povratne ambalaže i u kupovinu odlaziti s višekratno uporabljivom košarom (ekološkom platnenom vrećicom).

2. Materiju (otpad) što manje onečistiti (učiniti opasnim). 3. Materiju (otpad) reciklirati (odnosno ponovo iskoristiti (papir i karton, staklo, metal,

plastika, biljni i organski otpad kompostirati). 4. Termički preraditi otpad nastajanje kojeg se ne može spriječiti i koji se na drugi način

ne može obraditi, a dimne plinove pročistiti. Termičkom preradom uz iskorištenje nastale šljake povećava se iskoristivost otpada i to je samo jedna od mogućnosti u višestupanjskom sustavu rješavanja problema otpada.

5. Odlagati u odlagališta što je moguće manje. Sanitarno odlagalište je posljednji i nezaobilazni stupanj u integralnom konceptu rješavanja otpada. Neuporabljivi otpad odlaže na odlagalište koje je dobro zabrtvljeno, ne stvara neugodne mirise i nije opasno za podzemne vode, čovjeka i okoliš.

Procesi i postupci obrade neopasnog i opasnog otpada

Najčešći postupci obrade neopasnog otpada (otpad iz kućanstava /komunalni otpad) su odlaganje na sanitarna odlagališta, spaljivanje i kompostiranje.

Prema Uredbi o kategorijama, vrstama i klasifikaciji otpada i listom opasnog otpada (NN 50/05) ostale vrste otpada kao i opasan otpad mogu biti u tekućem, muljevitom ili čvrstom stanju te su preporučeni sljedeći postupci obrade otpada:

1. Kemijsko-fizikalni procesi obrade otpada se primjenjuju u cilju mijenjanja njegovih kemijsko-fizikalnih, odnosno bioloških svojstava, a mogu biti: neutralizacija, taloženje, ekstrakcija, redukcija, oksidacija, dezinfekcija, centrifugiranje, filtracija, sedimentacija i reverzna osmoza.

2. Biološki procesi obrade otpada se primjenjuju također u cilju mijenjaju kemijskih, fizikalnih i bioloških svojstava otpada, i to postupkom aerobne ili anaerobne biorazgradnje.

3. Termički postupci obrade otpada su postupci uporabom topline pod nužnim i propisanim uvjetima. Provode se u cilju mijenjanja kemijskih, fizikalnih, odnosno bioloških svojstava, a mogu biti: spaljivanje, piroliza, isparavanje, sterilizacija, destilacija, sinteriranje, žarenje, taljenje, zataljivanje u staklo i slični postupci.

4. Kondicioniranje otpada je priprema za određeni način zbrinjavanja i uporabe otpada, a može biti: usitnjavanje, ovlaživanje, pakiranje, odvodnjavanje, otprašivanje, očvršćivanje, stabilizacija te postupci kojima se smanjuje utjecaj štetnih tvari koje sadrži otpad.

Sanitarna odlagališta

Stara metoda odlaganja čvrstog otpada bila je bacanje u prirodne ili namjerno izvedene udubine u okolišu naselja. Takve otvorene udubine su bila nehigijenska mjesta, gdje su se okupljali i nekontrolirano razmnožavali glodavci i insekti, koji su prenosnici brojnih bolesti. Osim toga, metan se širio u okolnu atmosferu tijekom mikrobne razgradnje čvrstog otpada, a spontani požari su onečišćivali zrak s nagrizajućim dimom. Tekući tok koji je kapao ili se cijedio kroz čvrsti otpad pronalazio je put do tla, te površinske i podzemne vode. Štetne i toksične tvari su se pri tom otapali u takvim tekućim tokovima i dodatno onečišćivali tlo i vodu.


64

Sanitarna odlagališta se razlikuju od otvorenih odlagališta po tome što se otpad odlaže u udubinu, zatim se komprimira u male sekcije i svakodnevno prekriva tankim slojem tla.

Prethodno su dna modernih sanitarnih odlagališta izvedena od dvostrukog sloja (plastična folija, glina, plastična folija, glina) materijala, razvijenog drenažnog sustava za skupljanje procjednih voda i odvodnih cijevi za plinove nastalih biološkom razgradnjom otpada (sslika 3.7.)

Slika 3.7. Izgled sanitarnog odlagališta s dnevnim pokrovom (lijevo) i izvedba dna odlagališta (desno)

Ovakav način odlaganja čvrstog otpada smanjuje broj glodavaca i insekata, te se smanjuje mogućnost nastanka požara i neugodnih mirisa u okolnom zraku. Ukoliko su sanitarna odlagališta izvedena u skladu s preporukom o upravljanju otpadom, tada se smanjuje opasnost od onečišćenja tla i vode. Sigurnost se postiže zato što je na dnu odlagališta postavljen sloj gline i plastične folije, što onemogućuje prodor procjednih voda u podzemnu vodu. Dnevni otpad se komprimira i prekriva slojem komposta ili tlom. Nadalje, odabir mjesta za sanitarno odlagalište ovisi o nekoliko čimbenika, uključujući geološki sastav lokacije i blizina vodonosnika. Odlagalište treba biti dovoljno udaljeno od gusto naseljenog područja, ali ipak dovoljno blizu kako ne bi bili veliki transportni troškovi. Jedan od problema ovakvih odlagališta je i stvaranje metana. Zato se metan skuplja i spaljuje na baklji, ili se koristi za stvaranje energije (npr. toplinske i/ili električne). Popunjeno odlagalište odnosno zatvaranje odlagališta se izvodi na isti način kako je izvedeno dno, to jest prekriva se istim slojevima kao što je i dno pripremljeno, te se na vrhu prekriva još slojem humusa. Na ovakvim prostorima nije dozvoljeno graditi kuće ili zgrade, već se samo prekriva niskim raslinjem. Nakon zatvaranja popunjenog odlagališta, iz sigurnosnih razloga potrebno je još 30 godina kontinuirano motriti odlagalište. Spaljivanje otpada

Otpad se spaljuje u pećima pri 800-1200°C. Međutim neke otpadne tvari potrebno je ukloniti prije spaljivanja čvrstog otpada. Npr. staklo ne gori, već se tali pri čemu se teško uklanja iz peći. Nadalje, iako će otpaci hrane izgorjeti, njihov visoki sadržaj vlage često smanjuje učinkovitost spaljivanja, pa je zato potrebno i ovu vrstu otpada ukloniti prije spaljivanja. Najbolji otpadni materijali za spaljivanje su papir, plastični materijali i guma.

Papir je pogodan za spaljivanje jer lako gori i pri tome nastaje velika količina topline. Ipak, potencijalni problem nastaje ukoliko je prisutna boja ili neki toksični spojevi koji dospijevaju u dimni plin. Spaljivanjem neke vrste papira u atmosferu mogu dospjeti dioksini.

Spaljivanjem plastike nastaje velika količina topline. Spaljivanje 1 kg otpadne plastike nastaje toliko topline, kao i pri spaljivanju 1 kg nafte. Međutim kao i kod spaljivanja papira


65

nastaju onečišćujući plinovi koji mogu dospjeti u atmosferu. Spaljivanjem polivinil klorida nastaju dioksini. Spaljivanjem starih guma također nastaje puno topline. Neka energetska postrojenja (termoelektrane, toplane) u SAD i Kanadi spaljuju samo gume, odnosno ugljenu dodaju gume. Energetska vrijednost guma jednaka je ugljenu, ali pri tome nastaje manje onečišćujućih plinova. Postoje različite izvedbe spaljivaonica kao što su: - velike spaljivaonice (spaljuje se sve) - modularne spaljivaonice (manji kapacitet i pridružene su tvornici) - spaljivaonice za proizvodnju energije (otpad se obvezno razdvaja i spaljuje se samo

gorivi dio, uz prethodno usitnjavanje) Spaljivanje pruža prednosti u odnosu na odlaganje u tlo ili u more jer potpuno uništava

i najopasnije materijale, znatno smanjuje volumen i masu otpada, trenutno se zbrinjava otpad bez znatnog volumena skladišta, ostatak pepela i emisije u zrak mogu se zbrinuti a regeneracija topline može osigurati znatne ekonomske dobiti (slika 3.8.)

Slika 3.8. Shematski prikaz rada spaljivaonice (lijevo) i iskorištavanje toplinske energije dimnih plinova (desno)

Najveći problem pri radu spaljivaonice su toksične onečišćujuće tvari, koje mogu dospjeti

u atmosferu, kao što su ugljikov monoksid, čestice prašine, teški metali i druge toksične tvari. Zato je potrebno ugraditi uređaje za uklanjanje ovih onečišćenja iz dimnog plina. To mogu biti skruberi (suhi ili vlažni - sadrže CaO) koji neutraliziraju kisele plinove i elektrostatski precipitatori gdje čestice pepela postaju pozitivno nabijene pri čemu se talože na negativno nabijene ploče. Tijekom spaljivanja nastaje velika količina pepela i to lebedećih čestica i ložioničkog pepela (na dnu peći). Lebdeće čestice sadrže više toksičnih tvari (teški metali, dioksini) nego pepeo iz ložišta. I jedna i druga vrsta pepela mora se odložiti pažljivo i u skladu s odredbama koje reguliraju problem odlaganja štetnih tvari. To znači da se ne smije odlagati u sanitarna odlagališta za opću namjenu, odnosno za neopasni otpad. Ukoliko se ne može drukčije riješiti problem odlaganja, tada se određeni dio odlagališta izvodi u obliku saća, i u te pojedine dijelove odlažu ove štetne tvari uz točnu oznaku lokacije, kako bi se i nakon više desetaka godina znalo točno mjesto gdje su toksične tvari odlagane. Druga mogućnost za odlaganje ovakvih toksičnih tvari su napušteni stari rudnici ili što se u novije vrijeme istražuje mogućnost uklapanja u cementne blokove i postakljivanje.


66

Dioksini i furani su policiklički klorirani organski spojevi koji nastaju spaljivanjem mješovitog čvrstog otpada (otpaci koji sadrže spojeve klora i različite aromatske spojeve). Tijekom hlađenja dimnih plinova pri 400°C, u prisutnosti iona bakra koji služe kao katalizatori, nastaju poliklorirani dibenzodioksini (PCDD) i poliklorirani dibenzofurani PCDF). PCDD i PCDF mogu dospjeti u zrak i u tlo i iz različitih drugih procesa kao što su metalurški, proizvodnja papira te pri procesima izgaranja poput goriva u automobilskim motorima, kućnih ložišta, dim cigareta, papirnatih vrećica od usisivača ili roštilja (Slika 3.9.).

Slika 3.9. Tijek nastajanja dioksina i furana

Ovi se spojevi razgrađuju u atmosferi fotokemijski, oksidativno ili fotolitički, djelovanjem UV-zraka, pri čemu se klor raspada a vrijeme poluraspada je između 3 i 4 dana. Razgradnja u tlu je spora i vrijeme poluraspada iznosi 9-10 godina. Kompostiranje otpada

Otpad iz vrta ili s javnih zelenih površina poput pokošene trave, granja i lišća čini veliki udio u neopasnom čvrstom otpadu. Kako je sve manje slobodnog prostora za izgradnju sanitarnih odlagališta, potrebno je primijeniti druga rješenja za zbrinjavanje ove vrste otpada. Jedan od najboljih postupaka je prevođenje organskog otpada u kompost. Otpaci hrane, mulj od biološke obrade otpadne vode i stajnjak ubrajaju se u grupu čvrstog otpada organskog podrijetla te se također mogu iskoristiti za dobivanje komposta.

Svrha kompostiranja najčešće je prevođenje nestabilne organske frakcije u otpadu u stabilni krajnji produkt. Kompostiranje se uglavnom može opisati kao egzotermni aerobni proces razlaganja organske tvari (supstrat). Kompostiranje se može provoditi u: - otvorenim sustavima (windrow – aerirani rovovi i u hrpi ili stogu) te - u zatvorenim reaktorskim sustavima.

Supstrat (čvrsti otpad) se u otvorenim sustavima (slika 3.10.) razgrađuje više mjeseci uz smjene mikrobnih populacija pri čemu nastaje tamnosmeđi zrnati produkt nalik na humus, dok u zatvorenim sustavima proces stabilizacije organske tvari traje znatno kraće (od 10 do 30 dana) uz naknadno zrenje komposta na otvorenom prostoru.


67

Slika 3.10. Kompostiranje u hrpama (lijevo) i aerirani stogovi (desno)

Kompost se zatim može iskoristiti za poboljšavanje kakvoće tla koje je izrazito glineno ili pjeskovito. Također se može iskoristiti za ispunu različitih udubina, za uređenje igrališta i parkova, a ovisno o kakvoći komposta i za hortikulturu, ili ono lošije kakvoće kao tlo za dnevno prekrivanje otpada na sanitarnim odlagalištima. Kompostiranje kao postupak zbrinjavanja čvrstog otpada prvo je postala popularna u Europi.

S mehaničkog gledišta u proces kompostiranja uključeno je pet osnovnih stupnjeva. To su razvrstavanje otpada, razgradnja, sušenje, zrenje i dogotovljavanje. Otpad iz domaćinstava može sadržavati različite tvari, a odnos pojedinih vrsta otpada kod nas i u Europi prikazan je u tablici 3.5.

Tablica 3.5. Usporedba sastava čvrstog otpada iz kućanstava u V. Britaniji i Hrvatskoj

Vrsta otpada Velika Britanija / %

Velika Gorica - Hrvatska / %

Papir 27,0 19,5 Organska tvar 22,0 20,1 Staklo 16,0 3,9 Plastika i keramika 7 11,7 Metal i plastika 5 11,2 Ostalo 23 33,6

Staklo, metal i keramika, uz plastiku i tekstil se ne mogu kompostirati. Zbog toga ih treba ukloniti iz otpada koji će se kompostirati. Otpad od željeza se može ukloniti s pomoću magneta. Ostale metode razvrstavanja uključuju ručno izdvajanje i prosijavanje preko rešetki od vrlo krupnog otpada koji se ne može kompostirati.

Za učinkovitije kompostiranje otpadni materijal treba usitniti kako bi postao zrnat, što omogućuje dobro prozračivanje, miješanje i prodor mikroorganizama - razgrađivača. Prihvatljiva veličina čestica iznosi 4-7 cm a neki autori navode od 1-5 cm. To se postiže rezanjem i prosijavanjem kroz sita. Ponekad je potrebna vrlo mala predobrada jer se trganje vlakana materijala, koji će se kompostirati, javlja kao rezultat miješanja u početnom stupnju kompostiranja. U ovom stupnju se može podesiti i sadržaj vlage. Optimalni sadržaj vlage je oko 50 %, pa je često potrebno otpadu dodavati vodu. Koncentracija hranjivih soli je značajan čimbenik koji utječe na vremenski tijek kompostiranja. Ukoliko je omjer C:N veći od 80 neće uopće doći do kompostiranja, dok kod omjera ispod 80 proces će teći vrlo sporo. Brzina kompostiranja će porasti kako se omjer C:N smanjuje, pa se preporučuje da optimalni omjer C:N bude oko 30. To znači da uvijek treba provjeravati na početku kompostiranja količinu


68

prisutnog dušika u supstratu, pa shodno tome dodavati mineralne soli mineralno gnojivo) koje će omogućiti optimalni omjer ugljika i dušika tijekom ovog procesa.

Dvije su mogućnosti provedbe kompostiranja. Najjednostavnija nereaktorska metoda je skupiti materijal u stog, tako da je vrh stoga u obliku piramide s oko 3 metra visine i širine baze oko 9 m. Svakih nekoliko dana se mehanički lopatama preokreće materijal kako bi se osiguralo odgovarajuće prozračivanje unutar stoga. Stabilizacija materijala nastaje nakon četiri do šest tjedana kompostiranja ali zrenje komposta traje i do godinu dana. Uz ovu metodu je vezano nekoliko nedostataka. Ovaj se proces odvija na otvorenom pa promjena klimatskih prilika znatno utječe na proces kompostiranja. Ukoliko tijekom kompostiranja nastaju neugodni mirisi teško ih je kontrolirati te stanovništvo u blizini takve kompostane može uložiti protest. Ovakav način kompostiranja, nadalje zahtijeva relativno veliku površinu zemljišta, što može biti neprihvatljivo u urbanim područjima.

Drugi postupak kompostiranja je reaktorski (slika3.11.), koji uključuje mehaničko miješanje i prozračivanje unutar zatvorenog sustava. Uz bolju kontrolu miješanja, prozračivanja i temperature, proces stabilizacije organske tvari postiže se u kraćem vremenskom razdoblju u odnosu na kompostiranje u stogu.

Slika 3.11. Prikaz kompostiranja u reaktorima: rotirajući bubanj (lijevo) i kontejneri u nizu (desno)

Proces kompostiranja može se podijeliti u četiri faze: mezofilna, termofilna, hlađenje i zrenje. Biorazgradive tvari se raspadaju s pomoću mezofilnih mikroorganizama koje u početku troše lako-razgradljive ugljikohidrate i proteine. Kada se otpad složi u stogove, izolacijski učinak dovodi do konzerviranja topline i rasta temperature. Maksimalna postignuta temperatura i vrijeme potrebno za postizanje takve temperature ovisi o mnogim parametrima procesa, kao što su sastav organskog otpada, dostupnost hranjivih soli, sadržaj vlage, veličina stoga, veličina čestica, stupanj prozračivanja i miješanje. Slično je i kod kompostiranja u reaktoru pri čemu se može i izračunati reakcijska toplina nastala u zatvorenom sustavu.

Na početku kompostiranja je temperatura mase u stogu jednaka onoj u okolišu i slabo je kiselog karaktera. Kako se umnožavaju mezofilni mikroorganizmi temperatura naglo raste. Među produktima ove početne faze razgradnje nastaju jednostavne organske kiseline, koje su rezultat aktivnosti bakterija octenog vrenja, što izaziva pad pH-vrijednosti kompostne mase. Pri temperaturi višoj od 40 oC smanjuje se aktivnost mezofilnih mikroorganizama (najčešće bakterije) i razgradnju nastavljaju termofilni fungi. Pri tome se ponovo mijenja pH-vrijednost, te masa postaje blago do jače alkalna, zbog oslobađanja amonijaka ukoliko je dušik prisutan u dostupnom obliku. Nadalje, pri 60 oC odumiru termofilni fungi i reakciju razgradnje preuzimaju sporogene bakterije i aktinobakterije. Iznad 60 oC se razgrađuju parafini, proteini i hemiceluloza, dok se frakcije celuloze i lignina skoro uopće ne razgrade. Nakon što se lako razgradivi materijal potrošio, brzina reakcije se usporava sve dok brzina nastajanja topline ne postane manja od gubitka topline s površine stôga, pri čemu dolazi do hlađenja supstrata koji se kompostira. Bakterijska i fungalna biomasa koja je nastala u početnoj fazi kompostiranja


69

može postati izvor hrane višim organizmima, koji mogu biti uključeni u ovaj proces kao što su protozoe, rotifere i nematode. Kada se temperatura spusti ispod 60 oC, termofilni fungi iz hladnije zone kompostišta mogu ponovo nastaniti središte kompostne mase i nastaviti razgradnju celuloze. Hidroliza i postupna asimilacija polimernog materijala je relativno spor proces, pa se brzina nastajanja topline i dalje smanjuje. Pri 40 oC mezofilni mikroorganizmi preuzimaju aktivnost jer se razvijaju vegetativni oblici iz spôra, koje su otporni na toplinu ili mikroorganizmi s ruba stôga ponovo nastanjuju unutarnji dio kompostne mase. U takvim uvjetima može biti nešto niža pH-vrijednost, ali se ona uglavnom nalazi u slabo alkalnom području.

Ukoliko se kompost nije potpuno stabilizirao prije nego što je dodan tlu, on može ukloniti dušik iz tla, a koji je inače potreban bilju, zbog odvijanja završnog stupnja stabiliziranja komposta. Ovisno o vrsti supstrata koji se kompostirao kao i odabranom postupku, zrenje komposta traje kraće ili duže. Potreba za dovršavanjem komposta uvelike ovisi o distribuciji, odnosno načinu odlaganja komposta. Za potrebe poljoprivrede i hortikulture, kompost se suši mehanički kako bi sadržavao manje od 30% vlage. Pri tome je važna i konzistencija komposta, pa se u tu svrhu vrši prosijavanje za uklanjanje većih komada nepotpuno razgrađenih dijelova otpadnog materijala. Za prodaju malih količina, prije punjenja u vrećice, kompost se može pripremiti i u obliku zrnaca. Nasuprot tome, ako kompost služi za popunu tla ili dnevni pokrov sanitarnog odlagališta tada ga nije potrebno prigotovljavati.

Primjer: Prikaz tijeka 16-dnevnog kompostiranja duhanskog otpada u reaktorskom

sustavu uz praćenje promjene mješovite kulture mikroorganizama, promjene temperature i nastanak ugljikovog dioksida (slika 3.12.), te izračun reakcijske entalpije.

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12 14 16

t [d]

log

CFU

g-1

subs

trate

Mesophilic bacteriaThermophilic bacteriaMesophilic fungiThermophilic fungi

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16t [d]

m(C

O2 )

[g k

g -1

TS]

Slika 3.12. Promjena temperature zraka na ulazu i izlazu iz reaktora, u sredini i pri površini mase (gore lijevo), krivulja rasta mješovitih kultura bakterija i plijesni (gore desno) i masa nastalog CO2 tijekom 16 dana

kompostiranja


70

Za izračunavanje reakcijske entalpije odnosno nastale topline tijekom 16 dana kompostiranja koriste se vrijednosti kontinuirano mjerene temperature na ulazu i u sredini reaktora, početna mase supstrata i maseni udio komposta, volumni protok zraka. U tu svrhu se koristi empirijska jednadžba:

( ) ( )∫ −=Δ−kt

usko

pzvzr dtTT

wmcQ

H0

ρ

gdje je: cpz – specifični toplinski kapacitet zraka, kJ kg-1 K-1

ρz – gustoća zraka, kg m-3 Wsk – maseni udio komposta, ms mo

-1, kg kg-1

ΔHr – reakcijska entalpija, kJ kg-1 suhog supstrata Qz – volumni protok zraka, m3 h-1

mo – početna masa supstrata, kg T – temperatura u reaktoru, °C Tu – temperatura zraka na ulazu u reaktor Nakon šesnaest dnevnog kompostiranja duhanskog otpada postignuta je 50%-tna konverzija supstrata, masa nastalog CO2 kao rezultat biorazgradnje supstrata iznosila je 415,0 g CO2 kg -1 suhe tvari a izračunata vrijednost ΔHr = 7454,2 kJ kg-1. Opasni otpad i postupci obrade

Što sve može biti opasan otpad? To su sredstva za zaštitu bilja i uništavanje štetočina, stare baterije, stari lijekovi, ostaci boja i lakova, sredstva za rastvaranje, sredstva za zaštitu i impregnaciju drvne građe, kemikalije i sredstva za čišćenje, otpaci koji sadrže živu (termometri, posebne baterije).

Početkom 1977. godine je u SAD otkriveno, da je otrovni otpad iz napuštenog deponija koji je sadržavao različite kemijske spojeve (većina karicinogenih) kontaminirao kuće i vjerojatno ljude u području Love Canal, New York, što je privuklo nacionalnu pozornost na taj problem. U ovom području je bio veliki broj oboljele djece, što je proglašeno nacionalnom katastrofom uzrokovanom otrovnim otpadom i 700 obitelji je evakuirano. Nakon toga je to područje deset godina čišćeno kako bi se uklonio otrovni otpad. Ponovno naseljavanje ovog područja počelo je kada je EPA (Environmental Protection Agency) proglasila područje sigurnim i područje preimenovano je u Black Creek Village.

Ova nesreća je pobudila zabrinutost za tisuće sličnih starih odlagališta diljem SAD. Međutim slični problemi su prisutni i u drugim industrijski razvijenim zemljama. Opasni otpad (tablica 3.6.) nastaje u rudokopima, industrijskim procesima, pri spaljivanju, vojnim aktivnostima i u tisućama drugim malim poslovima.

Obvezu uklanjanja opasnog otpada iz napuštenih deponija i odlagališta ne može preuzeti isključivo država. Taj zahvat treba provesti lokalna zajednica u suradnji s nekadašnjim privrednim subjektima, kao i s današnjim vlasnicima. To je jedini put da se uklone opasne tvari iz okoliša koji ugrožavaju lokalno stanovništvo.

Uklanjanje opasnih tvari iz tla klasičnim postupkom je vrlo skupi zahvat. To podrazumijeva iskopavanje onečišćenog tla i spaljivanje. Osim toga ovim postupkom se uništavaju korisni organizmi u tlu. Druga mogućnost je unošenje velikih količina vode u onečišćeni dio tla kako bi se postupkom razrjeđivanja i ekstrakcije izdvojilo onečišćenje. Ali i ovaj postupak ne mora uvijek dati dobre rezultate. Postupak ekstrakcije vodenom parom također nije jednostavan i vrlo je skupi. Pri bioremedijaciji koriste se bakterije i drugi


71

mikroorganizmi za razgradnju opasnih spojeva. Do danas je korišteno više od 1000 različitih mikroorganizama za uklanjanje različitih oblika onečišćenja.

Tablica 3.6. Primjeri opasnog otpada

OPASNI MATERIJAL MOGUĆI IZVORI Kiseline Pepeo iz elektrana i spaljivaonica, naftni proizvodi Klorfluorugljici (CFC) Rashladni fluidi u klima uređajima i hladnjacima Cijanidi Rafinacija metala, fumiganti za brodove, vlakove i skladišta Dioksini Emisija plinova iz spaljivaonica, proizvodnja celuloze i papira Eksplozivi Stare vojne baze Teški metali Boje, pigmenti, baterije, pepeo iz spaljivaonica Arsen Industrijski procesi, pesticidi, aditivi staklu, boje Kadmij Povratne baterije, spaljivanje, boje, plastični proizvodi Olovo Olovne baterije, boje, katodna cijev TV bačena u odlagalište Živa Boje, dezinfekcijska sredstva u kućanstvu, ind. procesi, fungicidi Infektivni otpad Bolnice, istraživački laboratoriji Organska otapala Ind. procesi, sredstva za čišćenja, koža, plastika, kozmetika Poliklorirani bifenili (PCB) Električni transformatori, stariji aparati i instrumenti (prije 1980.) Pesticidi Proizvodi u domaćinstvima Radioaktivni otpad Nuklearne elektrane, uređaji u nuklearnoj medicini, tvornice oružja Fitoremedijacija je uporaba biljaka koje apsorbiraju i akumuliraju otrovne tvari iz tla.

Kasnije se te biljke pokupe i odlažu u odlagalište za opasni otpad. Ovaj postupak je danas još u povoju, međutim zna se da je na taj način moguće ukloniti trinitrotoluen (TNT), radioaktivni stroncij i uran, selen, olovo, i druge teške metale. Ovaj postupak uklanjanja opasnih tvari je ekonomski prihvatljiviji od konvencionalnih, ali ima i svojih ograničenja. Tako npr., biljka može ukloniti onečišćenje koje se nalazi samo do dubine do kuda dopire njezino korijenje. Dublji slojevi tla ostaju i dalje onečišćeni.

Postoje i brojne druge mogućnosti obrade opasnog otpada ovisno o njihovom agregatnom stanju i kemijskom sastavu. Opasni otpad se može obraditi kako slijedi: sustav taljenja u cikloni, infracrvena oksidacija, plazma metode, piroliza, stabilizacija/očvršćivanje, termička destilacija, ustakljivanje i primjena gljive bijelog truljenja.

Sustav taljenja u cikloni (slika 3.13.) termički obrađuje opasnu prašinu i kapljevine pretvarajući ih u staklo koje se može odložiti u odlagalište. Prašina od električnih lukova, talionički otpadi koji sadrže teške kovine i ostali slični otpadni tokovi se melju u fini prah i pune u ciklonu koja služi kao komora za sagorijevanje pri 1600 °C. Visoka temperatura stapa većinu nehlapivih tvari, uključujući pijesak na osnovi silicija. Potrebna je kontola dimnih plinova a otpadno procesno gorivo može poslužiti kao izvor goriva.

Pri infracrvenoj oksidaciji (slika 3.14.) otpad se ubacuje na pokretnu traku koja se giba kroz primarnu komoru za sagorijevanje. Oksidacija otpada se provodi prijenosom infracrvene isijavajuće topline uz prisutnost zraka (ili kisika). Otpadni plinovi se ubacuju u sekundarnu komoru za sagorijevanje gdje se štetne tvari dalje oksidiraju a nastala toplina se koristi za predgrijavanje ulaznog zraka.

Postupak s izrazito visokom temperaturom plazma lučne baklje (slika 3.15.) razlaže organske tvari u vodik, ugljikov dioksid, ugljik (koks) i klorovodičnu kiselinu (HCl). Plazma električni lukovi stvaraju temperaturu oko 10.000 °C pri čemu se otpadne tvari u plazmi razlažu na elemente. Kako se atomi hlade, oni oslobađaju jaku ultraljubičastu svjetlost, koja dodatno pridonosi uništavanju otpada. Izlazni plinovi se hlade i raspršuju s lužinom za uklanjanje čestica i kiselih plinova. Ova tehnologija se koristi prvenstveno za potpuno uništavanje polikloriranih bifenila (PCB) i dioksina.


72

Pri pirolizi (slika 3.16) se otpad izlaže visokoj temperaturi bez prisustva kisika pa otpad isparava ili se toplinski raspada (ali ne oksidira). Ostatci koksa i nešto ugljikovodika se spaljuju kako bi se osigurala toplina za proces. Ostatak se može reciklirati. Piroliza se koristi za obradu većine organskih kapljevina i krutina, naročito za uljne otpade. Izvorno je ovaj postupak razvijen za uklanjanje ugljikovodika iz tla, ali je također pogodan za povrat ugljikovodika iz mulja. Sustav može sadržavati skruber za uklanjanje kiselih plinova.

Slika 3.13. Shematski prikaz taljenja opasnog otpada u cikloni

Slika 3.14. Shematski prikaz infracrvene oksidacije opasnog otpada


73

Slika 3.15. Shematski prikaz razlaganja opasnih organskih tvari primjenom plazma električnog luka

Slika 3.16. Shematski prikaz postupka pirolize opasnog otpada

Postupkom očvršćivanja (slika 3.17.) se otpad zatvara u čvrstu matricu u cilju smanjivanja ili sprječavanja izluživanja, odnosno stabilizira.. Najčešće se koriste materijali na osnovi cementa, termomplastični ili polimerni materijali. Portland cement se koristi u prvom koraku za stabilizaciju dimne prašine ili mulja nakon ispiranja pepela iz ložišta. Termoplastični materijali (bitumen, parafin i polietilen) su učinkovitiji u sprječavanju izluživanja. Organski polimeri (urea-formaldehid, vinilesterstiren i poliesterske smole) su također dostupni materijali za tvorbu matrice. Ove tehnike se mogu koristiti za remedijaciju onečišćene lokacije i pokazale su se učinkovite za otapala, kovine, naftu, otpadne tokove iz galvanizacije i čvrsti otpad koji sadrži teške metale. Procesi s cementom su osobito učinkoviti za kovine i otpadne teške metale. Pri oblikovanju procesa treba imati u vidu mogućnost naknadnog izluživanja.


74

Slika 3.17. Shematski prikaz stabilizacije opasnog otpada postupkom očvršćivanja Pri termičkoj destilaciji (slika 3.18.) otpad se zagrijava pri visokoj temperaturi u struji dušika pri čemu nastaje para. Ovim postupkom se vrši povrat hlapivih spojeva kao što su nafta i kapljeviti naftni proizvodi. Proces se provodi serijski u tri destilacijske kolone. Otpad ulazi u prvu kolonu gdje se zagrijava do oko 210°C pri čemu se uklanja voda i laki ugljikovodici koji se kondenziraju i odvajaju. Ostatak čvrstog otpada iz prve kolone se zatim zagrijava do 1100 °C i odvode se preostale teže frakcije nafte. Čvrste čestice koje su sada preostale su najčešće inertne. Zagrijavanje se provodi uporabom indukcijskih ili infracrvenih grijača.Termička destilacija ne može se koristiti za obradu teških metala.

Slika 3.18. Shematski prikaz postupka termičke destilacije opasnog otpada

Ustakljivanje (slika 3.19.) je tehnika koja koristi visoke temperature za uklapanje opasnog otpada u staklasti čvrsti materijal iz kojega se opasni materijal ne može izlužiti. Ciklonsko taljenje i većina plazma tehnologija proizvodi ustakljene proizvode. Ovaj postupak je najbolji za čvrsti otpad koji sadrži teške metale. Ipak visoka temperatura zahtijeva egzotične materijale za izgradnju postrojenja pa je to skupa alternativa.

Gljiva bijelog truljenja (slika 3.20.) je mikroorganizam koji se pokazao učinkovit u razgradnji lignina (osnovni kemijski spoj u drvetu). Pokusi su pokazali da uspješno razgrađuje


75

otpad iz Kraftovog procesa dobivanja celuloze, zatim lindan, benzo-piren, diklor-difenil-trikloretan (DDT) i PCB. Ova je tehnologija provedena samo u laboratorijskim uvjetima rada.

Slika 3.19. Shematski prikaz postupka ustakljivanja (uklapanja) opasnog otpada

Slika 3.20. Primjena gljive bijelog truljenja za razgradnju, lindana, benzo-pirena, DDT i PCB 3.3. METODOLOGIJA SMANJIVANJA OTPADA

Danas su u svijetu razrađene metode smanjivanja otpada, ali se također i dalje istražuju nove mogućnosti. Shodno tome, u daljnjem tekstu se navode neki poznati primjeri.

Smanjivanje (reduce) otpada na izvoru nastajanja

Industrije mogu kreirati i proizvesti svoje proizvode tako da smanje ne samo volumen i količinu čvrstih tvari, već i količinu opasnih tvari koja ostaje u tim čvrstim tvarima. Ovakva strategija naziva se smanjivanje (redukcija) na izvoru, ali je ovaj vid najmanje iskorišten u upravljanju otpadom (waste management). Redukcija otpada na izvoru se postiže na različite načine. Inovacije i modifikacije mogu smanjiti količinu proizvedenog otpada nakon što je potrošač iskoristio proizvod. Npr., baterije danas sadrže manje žive nego u ranim 80-tim godinama ili smanjena masa aluminija u limenkama za 35 % u odnosu na 1970. godinu. Smanjivanje mase proizvoda naziva se dematerijalizacija. Za primjer se navodi stroj za pranje rublja koji je 1960. bio puno teži u usporedbi sa strojem proizvedenim 1990. godine. To


76

vrijedi i za automobile i ostale kućanske aparate. Međutim, događa se da se smanjivanjem materijala u proizvodu, smanjuje i njihova otpornost pa češće treba mijenjati dijelove ili čak kupiti novi proizvod. Tada dolazi do nagomilavanja otpada. Znači dematerijalizacija koja se provodi redukcijom na izvoru ima samo onda svrhe ako je novi proizvod jednako trajan kao i onaj stari. Ponovna uporaba (reuse) proizvoda

Jedan primjer je uporaba povratne staklene ambalaže. Prije mnogo godina takva se ambalaža koristila u velikim količinama. Međutim, danas se sve manje koristi jer se proizvode lakše boce za jednokratnu uporabu. Da bi se mogle višekratno koristiti u proizvodnom ciklusu, staklene boce moraju biti gušće pa zbog toga i teže. Zbog porasta mase staklene ambalaže rastu troškovi prijevoza. U SAD se vrlo malo koriste povratne staklene boce jer je proizvodnja pića centralizirana. Nasuprot tome, u Japanu se 20 puta iskoristi boca za punjenje piva i sake-a. Boce u Ekvadoru mogu ostati u uporabi 10 i više godina. U Europskim zemljama kao što su Danska, Finska, Njemačka, Nizozemska, Norveška, Švedska i Švicarska usvojen je zakonski akt koji promovira povratnu ambalažu. U R Hrvatskoj se još uvijek dosta koristi povratna staklena ambalaža u proizvodnji bezalkoholnih i alkoholnih pića. Recikliranje (recycle) materijala

Iz čvrstog otpada moguće je izdvojiti i ponovo iskoristiti mnoge materijale za proizvodnju proizvoda iste ili druge vrste. Recikliranje (oporaba) je prihvatljivije u odnosu na spaljivanje i odlaganje u sanitarna odlagališta jer se na taj način konzerviraju prirodni izvori i takav je postupak prihvatljiv za okoliš. Npr. svaka tona recikliranog papira spašava 17 stabala, 30 m3 vode, 4000 kWh energije i oko 3 m3 prostora u odlagalištu. Recikliranje pozitivno utječe na ekonomiju jer se stvaraju nova radna mjesta vezana uz prodaju recikliranog materijala. Recikliranje nije samo izdvajanje ponovno uporabivih materijala iz otpadnog toka, nego je samo prvi korak. Da bi recikliranje funkcioniralo potrebno je tržište za reciklirane materijale, zatim potrošač treba dati prednost recikliranom proizvodu pred nerecikliranim.

Amerikanci recikliraju 33 % papira i kartona, a ostatak ide na odlagalište i spaljivanje dok se u Danskoj reciklira 97 %. Razlog je tome što su tvornice papira u SAD stare pa ne posjeduju nove tehnološke procese kojima bi se mogao preraditi stari papir i karton. Osim toga američki stari papir se izvozio u Meksiko, Kinu, Tajvan i Koreju gdje su se proizvodili reciklirani proizvodi. Nadalje recikliranje papira i kartona se ne može provesti ukoliko ne postoji tržište za reciklirani proizvod. Ponekad se takva potreba može stvoriti zakonskom odredbom. Npr. u Torontu, Kanada, je gradska uprava 1991. godine propisala odredbu da dnevne novine moraju sadržavati 50% recikliranih vlakana jer se u suprotnom izdavačima neće dozvoliti postavljanje kioska po gradskim ulicama. Predsjednik Clinton, SAD, je 1994. izdao nalog da sav papir koji se nabavlja za državne službe mora sadržavati najmanje 20% recikliranih vlakana a do 1998. 30%.

Staklo je druga komponenta čvrstog otpada pogodna za recikliranje. Cijena recikliranog stakla je manja od stakla proizvedenog iz osnovnih sirovina. Prikupljeno otpadno staklo se drobi kako bi se moglo pretopiti i koristiti za proizvodnju nove staklene ambalaže. Pri uporabi otpadnog stakla nije potrebno prilagođavati postojeći proizvodni proces. Međutim, zrnca otpadnog stakla su mnogo vrjednija ukoliko se odvojeno skupljaju boce različitih boja. Tada se ponovo mogu proizvesti npr. samo bijele ili svijetle boce. Nasuprot tome zrnca stakla različitih boja koriste se samo za proizvodnju tamne ambalaže.

Recikliranje aluminija i drugih metala je značajno s ekonomskog gledišta. Proizvodnja nove limenke iz reciklirane zahtijeva samo mali dio energije koja bi bila potrebna da se napravi iz sirovine. Američki podatci za 1995 godinu, govore da je dvije trećine prikupljenih otpadnih limenki od ukupno proizvedenih, a koje su reciklirane, donijelo uštedu od 3 milijuna


77

tona nafte. Ostali metali koji se mogu reciklirati su olovo, zlato, željezo i čelik, srebro i cink. Recikliranje ovih metala iz komunalnog otpada je upitno jer je njihov sastav često nepoznat. Također je teško ekstrahirati metal iz npr. pećnica koje sadrže i druge materijale (plastika, guma, staklo). Nasuprot tome, otpadni metal nastao u proizvodnom procesu se može lako reciklirati, jer je njegov sastav poznat. Hoće li se metal reciklirati ili odložiti na odlagalište ovisi o ekonomičnosti postupka. Iznimka je čelik. Nekada se proizvodio isključivo iz sirovina, a danas postoje male čeličane koje proizvode čelične proizvode isključivo iz otpadnog materijala.

Statistički podatci pokazuju da se oko 2,5 % plastike reciklira. Jedan od razloga što se plastika tako malo sakuplja jest što je danas jeftinije proizvesti plastične proizvode iz sirovine (nafta i prirodni plin) nego iz reciklirane plastike. Međutim svaki dan raste zahtjev javnosti da se plastika počne reciklirati. Tako se iz godinu u godinu povećava količina reciklirane plastike.

Polietilen tereftalat (PET) je polimer koji se koristi za proizvodnju boca za punjenje mineralnih i stolnih voda. Proizvođači koji koriste ove boce tvrde da se oko 35% do 40% boca reciklira. Reciklirani polietilen tereftalat PET uklapa se u različite proizvode kao što su tepisi, dijelovi automobila ,teniske loptice i poliestersku odjeću (25 PET boca potrebno za jednu poliestersku majicu).

Polistiren (jedan oblik od kojeg je stiropor) je primjer plastičnog materijala koji se može izvanredno dobro reciklirati. Čaše, posuđe, posude za spremanje hrane mogu se reciklirati u nove proizvode kao što su vješalice, lončanice, izolacijski materijal i igračke. Godišnje se proizvede 2,3 milijarde kilograma polistirena, pa ta količina polistirenskog otpada zauzima veliki volumen u odlagalištu.

Jedan od izazova vezan uz recikliranje plastičnih materijala jest raznolikost njihovog sastava. Danas se može naći 46 različitih polimernih materijala u potrošačkom proizvodu, a mnogi od tih sadrže mješavinu polimera. Plastična boca za ketchup, na primjer sadrži 6 slojeva različitih povezanih polimernih jedinica. Zbog toga se otpadna plastična ambalaža mora razdvojeno sakupljati, ukoliko se želi dobiti reciklirani proizvod dobre kakvoće. Mješavina plastičnih materijala slabe kakvoće koristi se kao konstrukcijski materijal (sličan drvetu). Takav materijal je koristan (velika otpornost) za proizvode koji služe za vanjsku uporabu: prozorske daske, zidovi za smanjenje buke na autocestama i klupe u parkovima.

Ograničen je broj proizvoda koji se može dobiti od starih guma. Danas se one koriste za proizvodnju sadržaja na dječjim igralištima, proizvodnju posuda za otpad, podizanje grudobrana na morskim obalama te za dobivanje gumiranog asfalta za nogostupe. Literatura uz Poglavlje 3.:

1. Fitzpatrick E.A., An introduction to soil science, 2nd edition, Longman Scientific & Tecnical, Essex, 1995.

2. Girard J.E., Principles of environmental chemistry, Jones ana Bartlett Publishers, Mississauga, 2005.

3. Chiras D.D., Environmental science: Creating a sustainable future, 6th Edition, Jones and Bartlett Publishers, Sudbury, 2001.

4. Haug R.T. The pratical handbook of Compost Engineering Lewis Publishers, Boca Raton, 1994. 5. Lester J.N., Birkett J.W., Microbiology and chemistry for environmental scientists and engineers

2nd Ed., E&FN SPON, London, 1999. 6. Municipal Solid Waste in The United States: 2001 Facts and Figures, Office of Solid Waste and

Emergency Response (5305W), EPA530-R-03-011, 2003. 7. Press F., Earth, 4th Edition, W.H. Freeman, New York, 1985. 8. Pravilnik o uvjetima za postupanje s otpadom, Narodne novine NN 117/07, 2007. 9. Program trajnog motrenja tala Hrvatske, Projekt „Izrada programa trajnog motrenja tala Hrvatske s

pilot projektom“ LIFE05 TCY/CRO/000105, Agencija za zaštitu okoliša, 2008.


78

10. Salvato J.A., Nemerow N.L., Agardy F.J., Environmental engineering 5th Ed., John Wiley &Sons, Inc., New Jersey, 2003.

11. Uredba o kategorijama, vrstama i klasifikaciji otpada i listom opasnog otpada , Narodne novine NN 50/2005.

12. White P., Franke M., Hindle P., Integrated soldis waste management: A lifecycle Inventory, Blackie Academic&professional, London, 1994.

13. Zakon o otpadu, Narodne novine NN 178/04, 2004. 14. F. Briški, Z. Gomzi, N. Horgas, M. Vuković, Aerobic composting of tobacco solid waste, Acta

Chim. Slov., 50 (2003)715-729. Pojmovnik 3. poglavlja: 3.1. Tlo kao prirodni fenomemn i uporaba zemljišta Erozija tla: ovisi o volumnoj gustoći tla, gustoći čvrste faze, ukupnoj poroznosti, propusnosti tla za vodu i sadržaju ukupnog ugljika. Onečišćenje tla: promatra ukupan i pristupačan sadržaj teških metala i potencijalno toksičnih elemenata te postojanih organskih onečišćivača (PAH, PCB, triazinski herbicidi, organoklorni pesticidi). Zbijenost tla: definiraju volumna gustoća tla, mehanički sastav, kapacitet tla za zrak, kapacitet tla za vodu, struktura, propusnost tla za vodu, sadržaj ukupnog ugljika. Zaslanjivanje tla: ovisi o kiselosti tla, električnoj vodljivosti, sadržaju soli, kapacitetu zamjene kationa, propusnosti tla za vodu, kapacitetu tla za vodu, kemijskom sastavu procjedne vode i sadržaju ukupnog ugljika. Klizišta: ovise o mehaničkom sastavu, strukturi te propusnosti tla za vodu. 3.2. Čvrste otpadne tvari Gospodarenje otpadom: sprječavanje i smanjivanje nastajanja otpada i njegovoga štetnog utjecaja na okoliš, te postupanje s otpadom po gospodarskim načelima. Postupanje s otpadom: skupljanje, prijevoz, privremeno skladištenje, oporabu, zbrinjavanje otpada, uvoz, izvoz i provoz otpada, zatvaranje i saniranje građevina namijenjenih odlaganju otpada i drugih otpadom onečišćenih površina, te nadzor. Zbrinjavanje otpada: konačni postupak obrađivanja ili trajnog odlaganja otpada. Obrađivanje otpada: djelatnost u kojoj se u fizikalnom, kemijskom ili biološkom procesu uključujući razvrstavanje, mijenjaju svojstva otpada s ciljem smanjivanja količine i/ili opasnih svojstava, te olakšava rukovanje ili poboljšava iskoristivost otpada. Odlaganje otpada: djelatnost kontroliranoga, trajnog odlaganja otpada na građevine za odlaganje – odlagališta ili bilo koju od djelatnosti trajnog odlaganja otpada. Skupljanje otpada: djelatnost skupljanja, razvrstavanja i/ili miješanje otpada u svrhu prijevoza na obrađivanje ili odlaganje. Recikliranje otpada: djelatnost ponovne obrade otpada u proizvodnom procesu, uključujući i organsko recikliranje, ali ne i korištenje u energetske svrhe. Oporaba otpada: djelatnost ponovne obrade otpada u proizvodnom procesu, radi korištenja otpada u materijalne i energetske svrhe. Proizvođač otpada: pravna ili fizička osoba čijom djelatnošću nastaje otpad i/ili čijom se djelatnošću prethodne obrade, miješanja ili drugih postupaka, mijenja sastav ili svojstva otpada.

4. Zrak, onečišćenje zraka i promjena klime

79

Poglavlje 4. ZRAK, ONEČIŠĆENJE ZRAKA I PROMJENA KLIME "Mi smo prvo podigli prašinu i tada se žalimo da ne možemo vidjeti" iz "Principles of human knowledge" od Bishop Berkeley-a (1685-1753).

Proučavanje onečišćenja zraka odnosi se na ona onečistila koja se ispuštaju u atmosferu kao plinovi ili čestice koji se tada, izravno ili neizravno, raspadaju ili negativno utječu na fizikalne ili biološke sustave. Onečišćenja u atmosferi mogu prelaziti iz jedne faze u drugu (suha, plinovita, kapljevita faza) prije povratka na površinu tla. Ukoliko je onečišćenje kiselo po prirodi, onda je poznato kao kisela kiša. Riječ koja je manje emotivna i točnije opisuje kisela onečišćenja poput taloženja suhe faze, onečišćenja drugog podrijetla, uključujući i kapljevitu fazu, te snježne pahulje naziva se vlažna naslaga.

Ispuštanje onečišćujućih tvari u atmosferu posljedica je ljudske aktivnosti. Ipak, danas, kao i mnogo prije pojave ljudi, prirodno ispuštanje sličnih tvari uslijed vulkanskih aktivnosti kao i iz močvara izazivale su odgovarajuće poremećaje u lokalnom okolišu. Zbog toga se prirodna ispuštanja također moraju uzeti u obzir kada se razmišlja o onečišćenju zraka i o izvorima onečišćujućih tvari.

Utjecaj štetnih plinova iz zraka, na metale, tekstil i druge materijale koje ljudi koriste, izrazito je vidljiv dok je utjecaj na ljude ili na živi sustav koji nas okružuje vrlo suptilan i zato značajniji. Nadalje, negativni utjecaj na živi svijet otkriva se brže i pri nižim koncentracijama nego utjecaj na neživi materijal. Iako oštećenja različitih materijala stvaraju visoke ekonomske troškove, ipak je odavno prihvaćeno da je opasnost za zdravlje ljudi glavni razlog kontrole onečišćenja zraka. Kontrola štetnih plinova u zraku se provodi i u svrhu zaštite vegetacije i bioloških ekosustava o kojima ovisi ljudska vrsta. Biljke, koje čine glavninu tog ekosustava, osjetljivije su od ljudi na mnoga onečišćenja u zraku (SO2, NO2 i O3). 4.1. SASTAV I SVOJSTVA ZRAKA

Debljina atmosferskog omotača iznosi oko 1000 km oko ekvatora, a nešto je manja oko polova (800 km). Masa atmosfere iznosi Ma = 5·1018, ali se više od 99,9% mase plina nalazi do visine od 50 km. U slici 4.1. su prikazani pojedini slojevi atmosfere.

Slika 4.1. Slojevi atmosfere


80

Atmosfera se sastoji od smjese plinova i to 78,08 % dušika, 20,95 % kisika, 0,93 % argona i 0,035 % ugljikovog dioksida u suhom zraku, dok je %-tak vode promjenjiv a u tragovima su neon, helij i kripton. Relativna količina ovih plinova u atmosferi je bila konstantna do početka 20. stoljeća. Od tada se sadržaj CO2 počeo povećavati oko 0,5% godišnje zbog uništavanja šuma i prekomjerne uporabe fosilnih goriva. Sadržaj vodene pare u zraku je promjenjiv, od 1 do nekoliko postotaka. Ipak, koncentracije atmosferskih plinova, vodene pare i onečišćenja u zraku se mijenjaju s visinom.

Troposfera je sloj koji leži uz površinu Zemlje. Najniži je, najgušći i najtopliji dio Zemljine atmosfere kojem je prosječna visina u srednjem pojasu 10-12 km, na ekvatoru 16-18 km, a na polovima samo 6-8 km. Ova razlika u visini posljedica je toga što je zrak u ekvatorskom pojasu izložen jačem Sunčevom zračenju i zagrijavanju, koje tamo jače utječe na širenje zraka nego u polarnim pojasima. Troposfera se dijeli na površinski sloj visok 2-3 km i iznad njega advekcijski sloj. Premda zauzima vrlo malen dio cjelokupne atmosfere, ona predstavlja 75-80% Zemljine atmosfere. Razlog tome je što se zrak kao i svaki plin može komprimirati. Otud je tlak u donjim slojevima veći zbog vlastite težine viših slojeva i s visinom opada nelinearno. U njoj se nalazi gotovo sva vodena para, a topli zrak se podiže s površine, dok se hladniji zrak iz većih visina spušta što je uzrok svih meteoroloških zbivanja na Zemlji odnosno vremenskih prilika. Za troposferu je tipičan konstantan pad temperature za oko 0,65°C na svakih 100 m visine i na granici troposfere, ovisno o njenoj visini, temperatura je između -50°C u polarnom pojasu i -80°C na ekvatoru (slika 4.2). Granicu sa stratosferom čini tropopauza u kojoj temperatura koleba i počinje rasti (ovisno o geografskoj širini i dobu godine). Iznad toga se nalazi stratosfera (12-50 km). U ovom sloju temperatura se neprestano povisuje od -55°C (na srednjim širinama i na polovima) odnosno od -85°C (na ekvatoru) te doseže 0°C. Tlak je oko 1/1000 atmosferskog tlaka. Sloj je stabilan zbog temperaturne inverzije. Ovdje dolazi do raspadanja molekularnog kisika (O2) u ozon (O3) pod utjecajem Sunčevih kratkovalnih (200 – 320 nm), ultraljubičastih zraka. Kisik apsorbira ove po čovjeka štetne zrake i pri tome se dijeli i vezuje u troatomski oblik kisika – ozon. Stratosfera sadrži 90% atmosferskog ozona. Mezosfera je sloj koji se nalazi iznad stratosfere i ispod termosfere. Temperatura u mezosferi pada sa visinom, pa je granica ili mezopauza najhladniji dio, gdje se temperature spuštaju ispod -100 ºC. Donja granica mezosfere je na 50 km, a gornja na skoro 100 km visine, osim u umjerenom pojasu i polovima, gdje je visina do 85 km. Termosfera je najdeblji sloj u Zemljinoj atmosferi. Nalazi se na visini od 90 do 500 km. Temperatura u termosferi raste do čak 1500°C radi ionizacije zraka (atomi u zraku postaju ioni zbog djelovanja Sunčevog zračenja). Egzosfera kao sloj je smješten iznad termosfere od koje ga odvaja termopauza na visini od 800 do 3 000 kilometara. U egzosferi ima malo plinova vodika i helija te ona predstavlja kontakt Zemlje i svemira, a temperatura u egzosferi dostiže do +1500 °C.

Slika 4.2. Temperaturni gradijenti u pojedinim slojevima atmosfere


81

Temperaturne promjene u atmosferi nastaju zbog apsorpcije i djelomične re-emisije vidljivog, ultraljubičastog i infracrvenog sunčevog zračenja za što su odgovorni određeni plinovi u atmosferi, naročito CO2, CH4, O3 i vodena para (staklenički plinovi). Prisutnost ovih molekula i njihova koncentracija na određenoj visini u atmosferi prikazana je u slici 4.3.

Slika 4.3. Koncentracije nekih plinova u atmosferi s promjenom visine (porast O3 i aerosola prema stratosferi i kontinuirani pad H2O i CO2 s porastom visine)

Za inženjerstvo okoliša je od velikog značaja što se zrak može promatrati kao idealni plin.

To znači da molarna koncentracija molekula plinova u zraku ovisi o temperaturi i tlaku a neovisna je o sastavu plinova:

RTp

Vn=

gdje je n broj molova molekula plina u volumenu V, p je tlak plina, T temperatura plina (izražena u stupnjevima kelvina) a R je idealna plinska konstanta:

R = 8,314 J mol-1 K-1 = 8,205×10-5 atm m3 mol-1 K-1 Shodno tome, pri tlaku od 1 atm i temperaturi od 293 K, koncentracija molekula plinova u zraku iznosi 41,6 mol m-3. Treba uočiti da je 1 atm = 1,01325·105 Pa. U SI sustavu Pa (paskal) je jedinica za tlak.

Koncentracije plinova u zraku se ponekad izražavaju i kao njihovi parcijalni tlakovi, kao alternativa masenoj koncentraciji ili molarnom udjelu. Daltonov zakon kaže da je ukupni tlak plina jednak sumi tlakova svih pojedinačnih komponenti. Povezivanjem Daltonovog zakona sa zakonom o idealnom plinu, dobiva se sljedeći izraz:

RTVnp i

i =

gdje je pi parcijalni tlak određene vrste plina i a ni broj molova te vrste plina koja se nalazi u volumenu V. Zato je udio parcijalnog tlaka plina u ukupnom tlaku zraka jednak molarnom udjelu Yi tog plina u zraku:

ii Y

nn

ppi

==

Molarni volumen (MV) je volumen jednog mola plina. Pri standardnim uvjetima (p =

1,01325·105 Pa, temperatura T = 273,15 K.) volumen jednog mola (kilomola) plina mora biti jednak Vm = 22,414 L mol-1 = 22,414 m3 kmol-1, bez obzira na to koji plin promatramo. Nadalje, u jednom molu (kilomolu) plina mora uvijek biti isti broj molekula (ili atoma) NA.


82

Molekulska masa zraka (MZ) je suma relativnih molekulskih masa (Mr) pojedinih komponenata (plinovi) u zraku ovisno o njihovom udjelu, kako je naprijed navedeno. Na primjer relativna molekulska masa kisika je Mr(O2) = 32. Molekulska masa suhog zraka (MZs) iznosi:

MZs = 28 · 0,7808 + 32 · 0,2095 + 40 · 0,0093 + 44 · 0,00035 = 28,95 g mol-1 Vlažni zrak ima stvarno manju molekulsku masu (i manju gustoću) jer voda ima manju molekulsku masu nego suhi zrak. Neka je YH2O molarni udio vodene pare u zraku. Molekulska masa vlažnog zraka (MZv) je tada:

MZv = 18 ⋅YH2O + MZs⋅(1- YH2O) Tako, ako je molarni udio vodene pare u zraku 0,03, tada će molekulska masa zraka biti 28,63 g mol-1, odnosno oko 1,1 % manja od molekulske mase suhog zraka koja iznosi 28,95 g mol-1. Ironično, iako se kaže da je topli i vlažni zrak „težak“, njegova je gustoća u stvarnosti manja od suhog zraka.

Osim prirodnog zagrijavanja atmosfere, ona se zagrijava i zbog procesa sagorijevanja na Zemlji kao i zbog apsorpcije i refleksije toplinskog zračenja. Kako temperatura zračne mase pri površini planeta raste, tako joj gustoća pada pri čemu dolazi do ekspanzije i podizanja zračne mase. Toplina se tada gubi u višim hladnijim slojevima troposfere, pri čemu ohlađena zračna masa ponovo pada prema površini Zemlje. Na taj način je omogućeno vertikalno gibanje (dolje-gore i obrnuto) zraka u troposferi. Onečišćene zračne mase se također gibaju zahvaljujući vjetru, koji uglavnom puše od zapada k istoku na srednjim geografskim širinama i jedne i druge polutke (hemisfere), kao što je prikazano u slici 4.4. Istovremeno postoje i sjeverno-južni titraji koji zajedno s vertikalnim gibanjem zračne mase omogućavaju raspodjelu različitih onečišćenja u višim slojevima atmosfere.

Slika 4.4. Gibanje zračnih masa pod utjecajem vjetrova

Onečišćenja se uklanjaju iz atmosfere različitim procesima, ovisno o njihovoj vrsti i različitim brzinama. To je zbog toga što se neka lagano apsorbiraju ili adsorbiraju na određenim površinama dok su druga relativno ne reaktivna. Iznad vode, na primjer, atmosferski NO će se gibati duže nego NO2, ali iznad tla su te razlike vrlo male. Slično tome, SO2 će prolaziti stotinama kilometara iznad snijegom pokrivenog tla, ali samo nekoliko kilometara iznad vlažnog nesmrznutog tla.


83

4.2. IZVORI ONEČIŠĆENJA ZRAKA

Stoljećima je u Engleskoj, kao i u mnogim zemljama Europe, zakon štitio pojedinca od onečišćenog zraka iz točkastog izvora (uobičajeno dimnjak). Tako je već davne 1691. godine u Londonu bilo propisano da pekar mora izgraditi toliko visoki dimnjak da dim ne može prekriti krovove kuća koje se nalaze u susjedstvu. Danas su takvi točkasti izvori daleko viši, pa više nisu dovoljni gradski propisi, nego se stanovništvo mora zaštiti zakonskim propisima na razini države. Konačno, kada onečišćenja jedne države izazivaju probleme u drugoj državi, neophodan je i međunarodni dogovor.

Izvori onečišćivanja zraka mogu biti stacionarni i pokretni emisijski izvori. Stacionarni izvori su:

– točkasti: kod kojih se onečišćujuće tvari ispuštaju u zrak kroz za to oblikovane ispuste (postrojenja, tehnološki procesi, industrijski pogoni, uređaji i građevine i slično)

– difuzni: kod kojih se onečišćujuće tvari unose u zrak bez određena ispusta/dimnjaka (uređaji, površine i druga mjesta)

Pokretni izvori su prijevozna sredstva koja ispuštaju onečišćujuće tvari u zrak poput motornih vozila, lokomotiva, plovnih objekata i zrakoplovi.

Koncentracije onečišćujućih tvari u zraku se mijenjaju naročito tijekom radnih dana. Potrebe za energijom u ranim jutarnjim satima utječu na porast koncentracije SO2 u zraku. Odlazak do radnog mjesta različitim prijevoznim sredstvima (automobil, autobus, motor), te kamionski prijevoz različitih dobara doprinose porastu dušikovih oksida i neizgorenih ugljikovodika. Nestankom oblačnog sloja oko podneva omogućava dodatne kemijske reakcije i stvaranje troposferskog O3, koji pak sudjeluje u stvaranju sulfata i nitrata.

Tablica 4.1. Količina onečišćenja (%) iz pojedinih izvora koja dospijevaju u atmosferu

Izvor Čvrste tvari SO2 NO + NO2 CO Neizgoreni

ugljikovodici Energija i toplina 47,9 74,9 53,2 2,2 2,3 Transport 6,5 2,3 42,7 76,7 59,7 Odlaganje otpada 5,3 0,3 2,9 9,4 5,9 Ostalo 40,2 22,4 1,1 11,7 16,6 Isparavanje otapala - - - - 15,4

Nadalje, onečišćenja u zraku mogu biti u obliku čestica različitih veličina i plinova (tablica 4.2.).

Tablica 4.2. Vrste čvrstih tvari i kapljica vode suspendiranih u atmosferi

Naziv Svojstvo Veličina (µm) Pijesak čvrste tvari, brzo talože > 500 Prašina čvrste tvari, talože sporije 2-500 Dim čvrste čestice nastale u dimu > 2 Sumaglica voda, promjer kapljice 0,03-0,3 Magla voda, promjer kapljice 10 Oblaci voda, promjer kapljice 10 Kiša Voda, kapi 200 -2000 Aitkenove jezgre kapljice tekućine ili čvrste tvari 0,003-0,1

Lebdeće čestice u zraku mogu biti različite kapljice čvrstih tvari ili kapljevite faze, te

shodno tome imaju brojna ili različita imena. Pijesak i grube čestice prašine se mogu vidjeti jer je njihov promjer veći od 50 µm i brzo se talože u blizini izvora onečišćenja. One manjih


84

dimenzija ostaju jedno vrijeme u zraku, a ako su vrlo male (0,1-2µm) služe kao jezgre kondenzacije vode tijekom stvaranja oblaka. Te čestice se uklanjaju iz zraka samo s kišom ili bivaju isprane kišom. Ukoliko takve čestice iz nižeg sloja troposfere prijeđu u više slojeve, mogu tamo ostati nekoliko mjeseci ili čak i nekoliko godina. Vrlo male čestice (0,003-0,1 µm) poznate kao Aitkenove jezgre, uglavnom nastaju kao produkti kondenzacije vrućih para. Aitkenove jezgre napokon koaguliraju stvarajući veće čestice (0,1-2 µm), pa se kišom uklanjaju iz zraka.

Čestice prisutne u zraku sadrže različite vodotopive i vodonetopive tvari. Ove zadnje su uglavnom elementarni ugljik, željezovi oksidi i različiti drugi materijali u praškastom obliku poput kvarca i gline, te vlakana azbesta. Ovdje se ubrajaju i toksični metali poput olova i kadmija. U vodotopive tvari se ubrajaju uobičajeni kationi (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH4

+ i H+) kao i anioni (Cl-, SO4

2- i NO3-). Natrij, klorid i magnezij dospijevaju u atmosferu iz raspršene

morske vode, dok kalcij i kalij iz materijala vjetrom odnesenih s tla. Prisutnost amonijaka, sulfata, nitrata i vodikovih iona u zraku su posljedica vulkanskih i ljudskih aktivnosti.

Smanjenje vidljivosti zbog aerosolnih izmaglica nastaju u kombinaciji amonijaka s produktima oksidacije atmosferskih onečistila pri čemu nastaju čestice koje reflektiraju (NH4HSO4, NH4NO3, (NH4)2SO4). Takve čestice apsorbiraju i reflektiraju sunčevo zračenje. U stara vremena kada koncentracija dima nije bila zakonski regulirana, oko 50% sunčeve svjetlosti bivalo je izgubljeno u gradovima poput Londona. Ukoliko takve čestice dospiju na građevine, veće čestice ubrzavaju koroziju, koja je već započela zbog prisutnosti i drugih onečišćenja u zraku. Također, pričvršćivanjem uz listove vegetacije onemogućuju fotosintezu, blokirajući pore listova ili apsorbirajući prisutnu svjetlost.

Standardi kakvoće zraka se razlikuju od države do države ali ne bitno, pa u SAD u zraku ne smije biti više od 260 µm/m3 čestica kao dnevni prosjek, a Europski komitet (EC) ograničava na 250 µm/m3. Nadalje, koncentracije plinovitih onečišćenja u zraku izražavaju se kao masa po jedinici volumena (µg m-3) ili kao volumen po jedinici volumena µl L-1 odnosno nl L-1 (ppm odnosno ppb kratice u anglosaksonskoj metrici). No, niti ove jedinice nisu zadovoljavajuće. Možda bi bilo bolje izraziti prisutnost onečišćujućih tvari u zraku kao masa po jedinici mase. Međutim teško je ocijeniti koji volumen zraka odgovara 1,0 g, a i to se mijenja s visinom. Zato se najčešće izražava kao volumen po jedinici volumena.

Razvijene zemlje posjeduju zakonske propise za kontrolu i ograničenje ispuštanja onečišćenja u atmosferu kako bi osigurale zadovoljavajuće standarde kakvoće zraka. Tako, Komisija EU (Commission of the European Communities) koristi dva standarda, jedan koji govori o graničnim vrijednostima a drugi o preporučenim vrijednostima. Naravno, prve moraju sve članice EZ uključiti u svoje zakonske propise. Preporučene vrijednosti nisu obvezne ali upućuju države da rade na tome kako bi dostigli takvu kakvoću zraka.

Na kraju, propisani standardi kakvoće zraka sami po sebi neće stvoriti čišću atmosferu ukoliko se ne usvoji politika koja će osigurati da se to i zaista postigne. U tu svrhu je neophodno kontinuirano motrenje ili praćenje (monitoring), inspekcija i strogo izvršavanje propisanog ukoliko se želi postići uspjeh. I najstroži zakoni su beskorisni ako ne postoji namjera da se osigura njihovo usvajanje i primjena u okolišu, u vlastitom domu ili na radnom mjestu. Sumporov dioksid

Obje, prirodna i antropogena aktivnost doprinose emisiji SO2 plina u atmosferu, te u koncentraciji većoj od 1 µm L-1 osjeća se neugodan i iritirajući miris. Globalna emisija (ispuštanje) SO2 iz prirodnih izvora kao posljedica mikrobne aktivnosti, vulkanske aktivnosti, sumpornih izvora, isparavanja s različitih površina uključujući vegetaciju i raspršivanja kapljica s morskih površina iznosi 128 Mt sumpora (S) godišnje. Ova je vrijednost samo 50% veća od one nastale ljudskom aktivnošću (70 Mt godišnje) i šire je rasprostranjena po površini


85

planeta, te se prirodna koncentracija kreće oko 1 nl L-1 SO2. Više od 90% emisije SO2 nastale ljudskom aktivnošću rasprostranjeno je iznad Europe, Sjeverne Amerike, Indije i Dalekog istoka. Tijekom kasnih 70-tih godina je emisija SO2 iznosila i 77 Mt godišnje. U zadnjoj dekadi 20. stoljeća se ta vrijednost smanjila zahvaljujući kontroli emisije, promjeni potrošnje goriva i ekonomskoj recesiji. Nažalost, prognozira se ponovo porast potrošnje ugljena što će pridonijeti povećanju količine SO2 u atmosferi. Uobičajene koncentracije SO2 u atmosferi iznad urbanih sredina u razvijenim zemljama trenutačno su u rasponu od 0,1 do 0,5 µm L-1, ali su ponegdje i veće usprkos zakonskim propisima (problem u Edinburgu, Škotska).

Spaljivanje ugljena u najvećoj mjeri utječe na emisiju SO2 u atmosferu kao i korištenje elementarnog sumpora i pirita (FeS) pri proizvodnji mineralnih gnojiva. Ipak izgleda da će se ubuduće davati prednost upotrebi nusprodukta kao što je gips (CaSO4) pri toj proizvodnji, ali ne zbog zakonskih intervencija nego iz ekonomskih razloga.

Najlogičniji način smanjivanja emisije SO2 je korištenje goriva sa što nižom koncentracijom sumpora. Učinjen je određeni napredak u uklanjanju sumpora iz ugljena (uključujući praškasti ugljen) prije spaljivanja. Naravno, najvažnije je procijeniti da li koristiti takvo skuplje gorivo ili ulagati u dodatnu opremu za obradu dimnih plinova prije ispuštanja u atmosferu. Spaljivanje u fluidiziranom (lebdećem) sloju uključuje gorenje sitnih čestica čvrstog ili tekućeg goriva pri 500 - 700 oC. Injektirano pod tlakom gorivo ostaje u suspenziji s mlazom zraka usmjereno prema gore. Cijevi za paru i vodu uronjeni u takav reaktor učinkovito prenose toplinu do turbina. Dodatkom čestica kalcijevog karbonata ili dolomita (MgCO3) u pepeo može se smanjiti emisija SO2 i do 90 % jer sumpor biva zadržan u obliku kalcijevog ili magnezijevog sulfata. Ovakva tehnika omogućava korištenje ugljena i s većim sadržajem sumpora uz strogu kontrolu emisije. Osim toga, niža temperatura spaljivanja također smanjuje emisiju dušikovih oksida i CO.

Nadalje, kisela taloženja ne nastaju samo reakcijom SO2 s vlagom u zraku uz stvaranje kisele kiše, nego nastaju i u suhim uvjetima. Najčešće SO2 može reagirati s monoatomnim kisikom u stratosferi, odnosno s vrlo reaktivnim hidroksil ( OH) slobodnim radikalom pri čemu nastaje SO3.

Sumporov (IV) oksid dospijeva u atmosferu uslijed vulkanske aktivnosti te iz vrućih izvora uz druge plinovite oblike sumpora kao što je H2S. U ukupnom kružnom toku sumpora starenje minerala koji posjeduju sumpor u svojoj strukturi, poput gipsa, je značajan proces. Taj proces se ubrzava u kiselim uvjetima izazvanih mikrobnom aktivnošću ili onečišćenjem iz atmosfere. Tako, sumpor polako dospijeva u tlo i postaje biljkama hranjivo. Raspršivanje morske vode u okolnu atmosferu djelovanjem vjetra i valova, također pomaže izdvajanju spojeva sumpora, pri čemu 90 % sumpora ostaje iznad oceana i vraća se natrag, dok samo 10% odlazi do kopna. Ono što se ne vidi, ali je sigurno jednako značajno, jest da privremeno smanjenje rezervi sumpora (u geološkom smislu), kao posljedica ljudske aktivnosti, završava taloženjem na dnu oceana kao nova rezerva sumpora.

Spojevi koji sadrže sumpor, kao i oni s dušikom, su neobični po tome što mogu biti u različitim oksidiranim ili reduciranim oblicima. Ovi se spojevi razlikuju energetski jedni od drugih. Kako se elektroni kreću prema dolje od elektron donora (koji postaju oksidirani) prema elektron akceptorima (reducirajući ih) oslobađa se energija. Nasuprot tome da bi elektroni tekli u suprotnom smjeru (prema gore) potrebno je dovesti energiju.

Biološki sustavi, naročito mikroorganizmi, iskorištavaju takve energetske razlike. Kemolitotrofne bakterije kao što su Thiobacillus, Thiovulum i Thiospirillopsis, stvaraju energiju oksidirajući sumpor (S) do sulfita i sulfata za sintezu adenozin-trifosfata (ATP), koji je glavna rezerva energije živih sustava. ATP tada može sudjelovati u biosintezi skoro svakog drugog spoja neophodnog živom organizmu. Spomenute kemoautotrofne bakterije se najčešće nalaze u ustajalim jezerima u graničnom sloju između aerobnih i anaerobnih uvjeta koji vladaju u jezeru. Neki kemoautotrofi su odgovorni za velike štete nastale na zgradama, jer podnose niske pH-vrijednosti (ispod pH 1) pri čemu proizvode sumpornu kiselinu i luče ju u okoliš. Sumpornu kiselinu koju izlučuje Thiobacillus concretivorus ( eng. concrete = beton;


86

lat. vorus = jesti) kontinuirano nagriza CaCO3 u betonu ili karbonatne strukture pri čemu takva građevina propada. Štete u kanalizacijama su posebno ozbiljne jer u dužem vremenskom razdoblju prevladavaju anaerobni uvjeti koji omogućavaju stvaranje reduciranih oblika spojeva sumpora. Promjenom uvjeta uslijed naglih dotoka velike količine aerirane vode, npr. pri jakom pljusku kiše, nastaju idealni uvjeti za rast bakterija iz roda Thiobacillus. Zbog njihove aktivnosti dolazi do korozije betonskih cijevi i oštećenja kanalizacijskog sustava. Mnogo korisnije kemoautotrofne zemljišne bakterije, oksidiraju adsorbirani SO2 do iona sulfata koji se putem korijenskog sustava transportiraju u biljku. Slično tome, kemoautotrofne bakterije pri površini tla mogu detoksicirati H2S koji je nastao u anaerobnim zemljištima, prije nego li dospije u atmosferu kao štetni plin.

Molekule SO2 nemaju nesparene elektronske parove, pa zato ne stvaraju slobodne radikale. Međutim lako disociraju u vodi i u neutralnim uvjetima, pri čemu se stvaraju ioni sulfita (SO3

2-) i hidrogensulfita (HSO3-). Sulfit i hidrogensulfit imaju usamljene elektronske

parove na sumporu. Kao rezultat toga se lagano oksidiraju u seriji reakcija koje uključuju nastajanje ili korištenje već postojećih slobodnih radikala. Dodatna prisutnost metala, poput mangana, značajna je za takve brze oksidacije, te nastaje slobodni hidroksi radikal ( OH). Navedene reakcije prikazane su jednadžbama:

O3 + svjetlost → O + O2

O + O2 → 2 ( OH) ( OH) + SO2 + M → HSO3

Sumporov dioksid može biti industrijskog i urbanog podrijetla. Nekada se smatralo da su

radnici u određenim industrijama (topionice, proizvodnja sumporne kiseline) koji su bili duže i učestalije izloženi sumporovom (IV) oksidu od drugih razvili veću toleranciju na taj plin. Međutim, ti ljudi podložniji su iznenadnoj smrti. Autopsijom se mogu ustanoviti otoci zbog nakupljanja viška vode u stanicama. Uništene su fine dlačice koje se nalaze u gornjem dišnom putu i prisutna je bakterijska infekcija pluća. Reakcije ljudskog organizma na različite koncentracije SO2 prikazane su u tablici 4.3.

Tablici 4.3. Reakcije ljudskog organizma na različite koncentracije SO2

Koncentracija (µl L-1)

Vrijeme izlaganja

Reakcija

0,03-0,5 kontinuirano zabrinjavajuće stanje ljudi koji imaju bronhitis 0,3-1 20 s mijenja se aktivnost mozga 0,5-1,4 1 min osjeti se miris 0,3-1,5 15 min povećana osjetljivost oka 1-5 30 min otežano disanje, gubitak osjeta mirisa 1,6 -5 > 6 h grčenje dišnih putova i pluća 5-20 > 6 h reverzibilno oštećenje pluća po prestanku izlaganja >20 > 6 h voda u plućima i tkivu, paraliza, smrt

Nekada je vrijednost za osmosatni radni dan iznosila 5 µl L-1, međutim ta koncentracija ne

sadrži sigurnosnu rezervu. Ovu koncentraciju mogu izdržati samo mladi zdravi muškarci, dok je za sve ostale opasno. Ova koncentracija je bila odabrana kao rezultat provedenih ispitivanja na životinjama, što očito nije bilo najsretnije rješenje.

Također se u literaturi govori o korelaciji između kroničnih plućnih bolesti i povećanoj koncentraciji SO2 u gradovima. Međutim, dokazi koji sugeriraju da kronično izlaganje SO2 i česticama prašine utječe na razvoj kroničnih respiratornih bolesti s teškoćom se prihvaćaju jer nije moguće isključiti utjecaj drugih čimbenika. No bez obzira, epidemiološke studije u SAD, UK i drugdje ukazuju da ovakvi uvjeti pridonose kraćem životu i slabijem zdravlju gradskog stanovništva. U Hrvatskoj su Uredbom o graničnim vrijednostima onečišćujućih tvari u


87

okolnom zraku iz 2006. propisane sljedeće vrijednosti SO2: 1 sat = 350 μg m-3, 24 sata = 125 μg m-3 i 1 god. = 5 μg m-3.

Dušikovi oksidi

Dušikov(IV) oksid i dušikov(II) oksid nisu dominantni oksidi dušika u atmosferi, ali su ti koji stvaraju najviše problema u stratosferi. Kemičari često rabe izraz NOx za ta dva spoja koji su glavni uzročnici onečišćenja zraka. Nažalost, uporaba tog izraza nije najsretnija jer bi se to moglo odnositi i na druge dušikove spojeve koji se pojavljuju u biološkim procesima. Zato, ako se rabi izraz "dušikovi oksidi" , te je značenje jasno. To uključuje NO2, NO, kao i N2O, N2O3, N2O5, od kojih svaki različito utječe na žive sustave.

Nisu sva onečišćenja u zraku u obliku oksidiranog dušika. Amonijak (NH3), na primjer, dospijeva u atmosferu zbog raspadanja životinjskih otpadnih produkata ili zbog proizvodnje mineralnih gnojiva. Kao plinoviti NH3 ili u ionskom obliku NH4

+, ovi reducirani oblici dušika prisutni u atmosferi, su vrlo štetni za ekosustave osjetljive na povećan unos N. Kako dušik kruži između biljaka, životinja i zemljišnih mikroorganizama, prisutna je velika razlika između različitih reduciranih i oksidiranih oblika. Elektronska konfiguracija oko dušikovog atoma može varirati, što omogućava postojanje različitih oksido-redukcijskih stanja dušika.

Kako elektronegativnost predstavlja više energetsko stanje od elektropozitivnosti, zbog postojanja gradijenta, elektroni mogu teći. To u povratku, omogućava stvaranje različitih spojeva na osnovi N, koji su dominantni u biološkom ciklusu dušika.

Od dušikovih oksida N2O je najzastupljeniji u atmosferi. Najčešće se ispušta u procesu denitrifikacije, a provode ga neki zemljišni mikroorganizmi koji koriste nitrat umjesto O2 za disanje (respiraciju).To je nepoželjni poljoprivredni proces. Do takvog procesa dolazi u tlima gdje je mala količina kisika. Ustajala, poplavljena ili nabijena tla glavni su izvori N2O, a oranjem i melioracijom se onemogućava stvaranje anaerobnog procesa.

Drugi zemljišni mikroorganizmi provode proces nitrifikacije u kojem amonijak i nitrit prelaze u nitrat s pomoću aerobnih mikroorganizama. Zato je kultiviranje tla oranjem jedan od osnovnih postupaka koji omogućava maksimalnu mikrobnu nitrifikaciju i istovremeno se s pomoću enzima nitrogenaze stimulira fiksiranje atmosferskog N2 u NH3. Primjenom mineralnih gnojiva, poljoprivrednici izrazito remete prirodnu ravnotežu tih procesa i destimuliraju mikrobno fiksiranje N2. Zamjena tom procesu jest naizmjenično sijanje leguminoza i djeteline, pri čemu je odlučujući čimbenik ekonomija a ne znanost. Višak mineralnog gnojiva preostao u tlu nakon primjene, a koji se nije isprao vodom, uobičajeno se uklanja procesom denitrifikacije. Shodno tome, zbog svjetskog porasta potrošnje mineralnih gnojiva raste i količina N2O u atmosferi zbog procesa denitrifikacije u tlu.

Procesom denitrifikacije godišnje nastaje 5% N2O od ukupnog unosa N2O u atmosferu. Kako je N2O relativno nereaktivna molekula, vrijeme zadržavanja u atmosferi može biti i do 20 godina. Zbog nedostatka mehanizma uklanjanja N2O iz troposfere, ove molekule polagano odlaze u vis u stratosferu, podliježu fotolizi ili reakciji s atomarnim kisikom. Fotolizom nastaju molekule N2 i O2 koje nisu bitne. Međutim, u reakciji s atomnim kisikom nastaje NO koji snažno katalitički utječe na smanjenje količine O3 u stratosferi, kako je prikazano jednadžbama: 2 N2O + svjetlost (hν) → 2N2 + O2 N2O + O → 2 NO

Destimulacija uporabe gnojiva na osnovi nitrata je nepopularna, naročito u zemljama u razvoju. Ipak, genetička manipulacija gena vezanih uz fiksiranje N2 kod industrijski značajnih biljaka, kao što su žitarice, mogla bi ispraviti takvu situaciju.


88

Dušikov(II) oksid ,NO, uglavnom nastaje reakcijom između atmosferskog N2 i O2 pri visokim temperaturama uz manji doprinos komponenti u gorivu koje sadrže dušik. Također, u području plamena bogatog gorivom, vrlo reaktivni hidroksil ( OH) radikali stvaraju NO, ali su HCN, NH3 ili amini (-NH2, =NH ili =N) također identificirani kao prekursori pri nastajanju NO.

Na prvi pogled je neobično da količina proizvedenog NO pada, kako sadržaj dušika raste u gorivu. Nasuprot tome, uklanjanje S iz goriva povećava količinu proizvedenog NO. Zato, spaljujući teško ulje, koje uobičajeno ima niski sadržaj sumpora, dovodi do emisije NO u istoj količini kao i kod termoelektrana koje koriste ugljen s mnogo većim sadržajem sumpora. Mnogo se može učiniti na smanjenju količine NO na izlazu iz dimnjaka, kao npr. izbor goriva, oblik ložišta i uvjeti rada. Veličine čestica ili kapljica goriva mogu se smanjiti pri čemu se povećava površina i potpunije izgaranje. Ostali parametri koji se mogu prilagoditi su: temperatura, tlakovi, količina dostupnog kisika, odnosi miješanja vrijeme zadržavanja.

U mnogim razvijenim zemljama cestovni prijevoz doprinosi s 35% u ukupnoj emisiji NO.

Zato se u tim zemljama radi na poboljšanju izgaranja goriva preuređivanjem motora vozila i na poboljšanju katalitičke konverzije ispušnih plinova. Konstruktori motora još rade i na smanjivanju emisije neizgorenih ugljikovodika. Drugi industrijski procesi također pridonose značajnoj emisiji NO. Amonijev nitrat ima široku primjenu kao dušično gnojivo u poljoprivredi i proizvodi se u velikim količinama. Oslobađanje i emisija dušikovih oksida, amonijaka i čestica amonijevog nitrata u atmosferu je značajna, te često doprinosi odgovarajućem lokalnom onečišćenju.

Kada NO dospije u atmosferu, NO2 se brzo oksidira u prisutnosti ozona. Međutim, u protureakciji fotokemijskom pretvorbom ponovo nastaje NO, dok se O3 regenerira u drugoj reakciji, kako slijedi: O3 + NO → NO2 + O2 NO2 + svjetlost (hν) → NO + O O + O2 + M1 → O3 + M

Osim fotolitičkim raspadom i druge reakcije mogu biti odgovorne za uklanjanje NO2. Fotokemijskim putem nastali hidroksi radikali ili O3 stvaraju dušičnu kiselinu: OH + NO2 + M1 → HNO3 + M

Ostale značajne reakcije uključuju nastajanje peroksiacilnitrata (PAN) i peroksinitritne kiseline. To nisu stabilni spojevi, te se brzo raspadaju u nižim slojevima troposfere. Međutim postaju stabilniji u hladnijem području troposfere ili u nižim slojevima stratosfere.

Vrijednost dušikovih oksida tijekom osmosatnog radnog dana smije iznositi 25µl L-1 NO ili 2 µl L-1 NO2. Ove su koncentracije daleko više od uobičajenih gradskih, ali su nesretni pojedinci ponekad izloženi ovim izrazitim koncentracijama dušikovih plinova. Za razliku od plinova sumporovih oksida, koji izazivaju intenzivno kašljanje koje služi za upozorenje, pare koje sadrže dušikove okside su opasnije, jer se fatalna količina može udahnuti bez trenutačne reakcije organizma. Dimni plinovi dušikovih oksida nastaju u industrijama u kojima se provodi nitriranje različitih aromatskih spojeva pri proizvodnji nitroceluloze (lakovi, premazi i celuloidne vrpce) te kod nitrofenola koji se koristi u industriji lijekova i pri proizvodnji bojila. Također nastaju tijekom procesa graviranja metala, foto-graviranja, varenja metala i pri podzemnim eksplozijama. Požari, a naročito gdje sagorijevaju plastični materijali, proizvode


89

veliku količinu dušikovih plinova uz nastanak drugih iritirajućih spojeva i opasnih para. Simptomi trovanja javljaju se tek nakon 24 sata (kašljanje, glavobolje, stezanje u prsima) a pri jakom trovanju može doći do kolapsa cirkulacije i pojave vode u plućima. Dušikov (II) oksid vezuje se na hemoglobin pri čemu nastaje jedan oblik methemoglobina. Osim toga prevelika količina nitrata smanjuje tlak krvi (ima ulogu vazodepresanta), te se oštećuju jetra i bubrezi. Zato je preporuka Svjetske zdravstvene organizacije da tijekom l sata koncentracija NO2 ne prelazi 0,23 µl L-1, dok u vremenu od 24 sata tu koncentraciju treba smanjiti ispod 0,08 µl L-1 kako bi se zaštitilo zdravlje ljudi. U Hrvatskoj su Uredbom o graničnim vrijednostima onečišćujućih tvari u okolnom zraku iz 2006. propisane sljedeće vrijednosti za NO2: 1 sat = 200 μg m-3, 24 sata = 80 μg m-3 i 1 god = 40 μg m-3. Amonijak

Reducirani oblici plinova kao što su amonijak, sumporovodik i organski sulfidi često su prisutni u atmosferi i značajna su komponenta u kružnim tokovima dušika i sumpora. Oni su primarno biogenog podrijetla, što znači da njihova prisutnost nije vezana uz ljudsku aktivnost. U atmosferi postoji uobičajena prirodna koncentracija ovih plinova. Međutim, danas se zna da je prisutnost većih koncentracija tih plinova od uobičajenih vrijednosti posljedica ljudske aktivnosti.

Amonijak, vrlo oštar i iritirajući plin, koristi se kao sirovina pri proizvodnji mineralnih gnojiva, plastičnih masa, eksploziva, bojila i lijekova. Nekada se koristio kao sredstvo za rashlađivanje. Još uvijek nastaje u rafinerijama nafte u značajnim količinama kao nusprodukt. S globalnog motrišta zanemarive su količine lokalno nastalog amonijaka koji dospijeva u atmosferu u odnosu na količinu amonijaka nastalog tijekom biorazgradnje proteina na tlu (biljni i životinjski otpad). Taj proces poznat je pod imenom "isparavanje amonijaka". Tako u ruralnom predjelu u umjerenoj zoni u atmosferi može biti amonijaka u koncentraciji od 5 do 10 nl L-1, dok je oko ekvatora koncentracija NH3 izrazito viša i može biti i do 280 nl L-1. Međutim u blizini industrijskih i intenzivnih poljoprivrednih izvora izmjereno je čak i 10 µl L-1 NH3. Shodno tome u nekim industrijskim zemljama i dalje raste koncentracija NH3 u atmosferi zbog povećane primjene mineralnih gnojiva i intenzivnog stočarstva.

Amonijak u atmosferi neutralizira sumpornu ili dušičnu kiselinu i smanjuje kiselost, ali istovremeno promovira oksidaciju SO2 s ozonom do sulfata. Molekula NH3 je u atmosferi u ovom obliku uobičajeno prisutna oko pola sata prije nego prijeđe u NH4

+. Međutim ovisno o strujanju zraka, plinoviti NH3 može prijeći i 18 km prije nego što prijeđe u ionski oblik. Amonijak se može taložiti u tlu adsorbirajući se na glinu, organske čestice te reagirati s karbonilnim ili nekim drugim kiselinskim grupama.

Koliko god bio značajan za rast biljaka, povećane koncentracije amonijaka mogu biti pogubne za neke ekosustave. Tako u močvarama, siromašnima hranjivim solima raste jedna vrsta mahovine (Sphagnum) koja dobiva hranjive soli (N i P) samo putem oborina. Povećanjem koncentracije amonijaka u takvom ekosustavu dolazi do odumiranja ove vrste, jer se ne nastanjuje druga vrsta koja zahtijeva veću količinu dušika za svoj rast i razvoj.

Amonijak prisutan u atmosferi, uobičajeno nije opasan po zdravlje ljudi. Međutim u slučaju nesreća u industriji, na primjer pri ispuštanju velikih količina NH3, dolazi do trenutačne reakcije s vlažnom sluzokožom gornjeg dišnog sustava pri čemu nastaje NH4OH, koji izaziva kemijske opekotine. Nasuprot tome pri mnogo nižim koncentracijama, puferski sustav sluzokože dovoljan je za apsorpciju plinovitog NH3, te je prodor plina u pluća skoro zanemariv. Nadraživanje očiju i grla pojavljuje se pri koncentracijama od 350 do 700 µl L-1 NH3, ali već i znatno niže koncentracije utječu na fiziološke promjene u organizmu. Tako se pri 16 µl L-1 mogu detektirati povišene koncentracije NH4

+-iona i uree u krvotoku. Propisi o dopuštenoj koncentraciji NH3 u radnom prostoru razlikuju se od države do države. Ipak, najčešće se te vrijednosti kreću oko 25 µl L-1 NH3 za osmosatni radni dan.


90

Sumporovodik

Sumporovodik, sa svojim mirisom po "pokvarenim jajima", vrlo je toksičan i zapaljiv plin. Koristi se kao sirovina samo u nekim industrijama, ali se uglavnom pojavljuje kao nusprodukt brojnih prirodnih i industrijskih procesa. Iako se preko 90% emisije H2S u atmosferu pripisuje ljudskoj aktivnosti, ipak su to vrlo male količine u usporedbi s ispuštanjima H2S iz prirodnih ležišta plina i nafte. Glavna opasnost nastaje tijekom eksploatacije i rafinacije nafte s visokim sadržajem sumpora, jer se H2S oslobađa čim dospije na površinu, a naročito ako je zagrijan i pod tlakom.

Drugi glavni izvor H2S i organskih sulfida (merkaptani) jest raspadanje biljnog i životinjskog otpada te razgradnja organskih tvari u kanalizaciji. Kožarska industrija, proizvodnja ljepila, klaonice i šećerane stvaraju značajnu količinu H2S i uz to merakptane zbog čega su ove tvornice najmanje popularne, te ih nitko ne želi u svom susjedstvu. Naročito pri štavljenju kože može doći do slučajnih izlijevanja Na2S koji se koristi u prvoj fazi obrade kože za uklanjanje dlake, a zatim se koristi kromna štava zakiseljena s H2SO4. Ukoliko nepažnjom dođe do miješanja otpadnih voda iz ovih dijelova procesa oslobađa se toksični H2S. Proizvodnja papira, sumpornih boja i vulkanizacija gume su također industrijski procesi gdje se može generirati H2S. Zato su potrebne specijalne mjere za zaštitu zaposlenih u ovim industrijama. U područjima oko tvornica celuloze koncentracija H2S može biti i 11,5 µl L-1, dok unutar njih čak i više (> 20 µl L-1). U urbanim sredinama koncentracija H2S je uobičajeno niža od 5,4 nl L-1. Ukoliko se ova koncentracija prekorači i to duže vrijeme, građani imaju pravo protestirati jer je osjet mirisa H2S akutan. Ljudski prag detekcije H2S je individualan, te se kreće u granicama od 0,15 do 1,5 nL L-1, ali su ove granice niže za merkaptane.

Uobičajeno je miris H2S dovoljan da upozori čovjeka na prisutnost ovog plina pri koncentraciji ispod 20 nl L-1 tjerajući ga da odstupi ili potraži i liječničku pomoć. Ipak paraliza osjeta mirisa nastaje pri višoj koncentraciji (150 µl L-1), pa žrtve nisu svjesne opasnosti. Visoke koncentracije H2S su isto tako toksične kao i cijanovodik. Ustvari i jedan i drugi imaju istu vrijednost koja iznosi 10 µl L-1 za osmosatni radni dan. Problemi s disanjem nastaju u sekundi uslijed paralize živaca koji kontroliraju disanje. Toksikološki problemi pri trovanju sumporovodikom su slični kao pri trovanju cijanovodikom, pri čemu je onemogućen protok elektrona kroz citokrom oksidazu do O2 u mitohondrijima tijekom respiracije. Koža žrtava akutnog trovanja s H2S je sivo-zelena kao i unutarnji organi. To je posljedica stvaranja sulfhemoglobina odmah poslije smrti. Oporavak od akutnog trovanja je bez trajnih posljedica, međutim u nekim slučajevima ostaju problemi. Kod kroničnih trovanja javlja se konjuktivitis, glavobolja, nesvjestica, proljev i gubitak težine. Ozon, PAN i fotokemijski smog

U turbulentnoj troposferi ispod stratosfere, ozon (O3) nastaje zahvaljujući fotolizi prisutnog NO2 pri čemu nastaje monoatomni kisik (O), te u reakciji s molekulskim kisikom nastaje ozon (O3):

NO2 + svjetlost (hν) → NO + O O + O2 + M 1 → O3 + M RO2

+ NO → NO2 + OH

Ugljikovodici, aldehidi i CO ubrzavaju početnu fotolizu, te povećavaju količinu NO koji se oksidira u prisustvu peroksi( RO2) radikala uz istovremeno nastajanje vrlo reaktivnog hidroksi radikala. Isparavanje otapala i nepotpuno izgaranje goriva rezultira dospijećem različitih ugljikovodika u atmosferu. Analize zraka u različitim razmacima pokazale su prisutnost preko 60 različitih vrsta atmosferskih ugljikovodika. Oni uključuju acetilen,


91

benzen, butan, etan, heksan, pentan, propan i toluen - dakle svi koji su karakteristični za ljudsku djelatnost. Najrasprostranjeniji ugljikovodik prisutan u atmosferi je "staklenički plin" metan (CH4), koji dospijeva u atmosferu zbog raspadanja bilja, zatim iz industrije i domaćinstava, u količinama od 1 do 100 µl L-1. Postoje fotolitički mehanizmi za potpunu oksidaciju CH4 do CO2, kao i za cijepanje ostalih organskih molekula.

Najveći svjetski problem s nezasićenim ugljikovodicima je njihova sposobnost stvaranja fotokemijskog smoga u prisutnosti dušikovih oksida, intenzivne sunčeve svjetlosti i stabilnih meteoroloških uvjeta. Lanac reakcija koji sudjeluje u ovom procesu je dugačak i kompleksan, jer jedna reakcija kojoj je potreban slobodni radikal generira drugu reakciju kojoj je također potreban. Mnogi slobodni radikali odgovorni su za brojne iritacije očiju koje su izložene fotokemijskom smogu. Postoji samo nekoliko reakcija koje dovode do završetka lanca reakcija. Reakcija se rijetko zaustavlja sudarom dvostrukih slobodnih radikala, kako prikazuje jednadžba:

R,O2. + RO. →R′OR + O2

.

Češće su reakcije između RO2 radikala i dušikovih oksida pri čemu nastaju peroksiacil nitrati (PAN). PAN je vrlo reaktivan u dodiru s osjetljivim površinama kao što su oči ili nježne biljne stanice, te što je veća organska komponenta PAN-a to je on toksičniji. Neki iritansi očiju traju dulje od onih koji oštećuju biljke, a uključuju i druge spojeve kao što su formaldehid (HCHO) i akrolein.

Nastanak fotokemijskog smoga uvjetovan je određenim dnevnim ritmom u odsutnosti vjetra. Karakteristična plavo-smeđa sumaglica iznad prenapučenih gradova, uglavnom vezana uz fotokemijski smog, sadrži neizgorene ugljikovodike u naprednoj fazi oksidacije. Nastanak smoga tipa „Los Angeles“ pojavljuje se i u drugim velikim gradovima u svijetu. Tijekom vedrog, sunčanog dana bez vjetra, najviše O3 i PAN-a nastaje iz NO i neizgorenih ugljikovodika koji su uglavnom podrijetlom iz pokretnog a ne iz nepokretnog izvora onečišćenja. Shodno tome, postojanje propisa koji reguliraju sadržaj ispušnih plinova automobila pomaže u smanjenju fotokemijskog smoga u urbanim sredinama. Osim fotokemijskog postoji i kemijski smog ili „Londonski“. Vezan je uz ispuštanje SO2 i lebdećih čestica iz nepokretnih (točkastih) izvora, kao što su ložišta. Stvara se siva sumaglica. Koncentracije štetnih plinova se mijenjaju svakodnevno (smog londonskog tipa) odnosno tijekom dana (smog tipa LA) kao što je prikazano u slici 4.5.

Slika 4.5. Koncentracije štetnih plinova u atmosferi kod kemijskog smoga (lijevo) i fotokemijskog (desno)

Ozon je vrlo reaktivan plin prema organskim molekulama, stoga je značajno detaljnije

razmotriti posljedice koje nastaju. Bilo koja dvostruka veza u ugljikovim spojevima je vrlo osjetljiva na pucanje lanca i unakrsne reakcije potaknute ozonom. Prirodni polimeri kao guma, celuloza, koža, te premazi, elastomeri, plastični materijali i industrijska bojila se mogu


92

razgraditi pod utjecajem ozona. U svrhu zaštite, u ove materijale potrebno je dodati određena sredstva koja će spriječiti reakcije na dvostrukim vezama. Tako je na primjer elektronegativni atom klora uz dvostruku vezu u neoprenu dobar primjer zaštite. Manje je istraživanja koja se odnose na mehanizme oštećenja u prisutnosti PAN-a. To je uglavnom zbog toga što ih je teško generirati u laboratorijskim uvjetima. PAN „napada“ one aminokiseline koje su osjetljive i na ozon (metionin, cistein). Sretna je okolnost da je prodor PAN-a u proteine vrlo slab, a vrijeme poluraspada mnogih PAN-a je vrlo kratko (oko 7 min pri pH=7).

Različiti uredski strojevi (fotokopirni aparat, telefaks) u zatvorenim prostorijama također generiraju ozon. Ozon se lagano vezuje na netom proizvedene tekstilne materijale (0,109 cm s-1 za svježi pamuk), dok vrlo slabo na plastične materijale nove generacije ili staklene materijale (0,001 cm s-1 za staklo). Zato je propisano da vrijednost tijekom 40 satnog radnog tjedna bude ispod 0,1 µl L-1 O3, a preporuka je da se smanji na 0,05 µl L-1 (što je prirodna koncentracija O3 u okolišu). Poremećaj strukture mitohondrija, redukcija kapaciteta pluća i povećan broj udisaja posljedice su udisanja zraka onečišćenog ozonom. Ozon kao jako oksidativno sredstvo može oštetiti bronhijalne i alveolne stjenke pluća. Takva oštećenja su popraćena nakupljanjem vode u stanicama (edemi) uz simptome akutne upale. To se javlja samo kod visokih koncentracija O3, ali nestaje čim se koncentracija smanji. Ozon jednako djeluje kako na ljude tako i na životinje. Za sada se još ne zna točno koliko je PAN štetan za zdravlje, postoje tek neka laboratorijska ispitivanja na životinjama.

Ozon reagira s aminokiselinama mijenjajujći prostornu orijentaciju proteina što je kritično ukoliko je takav protein sastavni dio nekog enzima. Proteini djelomično ugrađeni u staničnu membranu biljaka, mikroorganizma i životinja pokazuju promjene zbog djelovanja O3 i to puno ranije nego lipidi koji se nalaze s nutarnje strane membrane. Promjene u membranama zbog napada na proteine i lipide rezultira u izrazitoj promjeni propusnosti stanice, odnosno dolazi do ispuštanja bitnih kationa poput K+. Na listovima biljaka se mogu uočiti dijelovi koji izgledaju kao da su natopljeni vodom zbog promjene propusnosti membrane, a kod nepovratnog oštećenja su vidljve izbijeljene zone. Kod iglica crnogorice mogu se vidjeti karakteristični žuti i bijeli prstenovi izazvani zbog višekratnog ponovljenog utjecaja smoga. Ovisno o vrsti crnogorice, iglice mogu poprimiti i izrazito brončanu boju (npr. Pinus ponderosa). Ozon oksidira sulfhidrilne grupe i masne kiseline bakterijske stanične stijenke, ali uz uzajamno djelovanje UV-zraka izaziva genetička oštećenja poput cijepanja uzvojnice DNK i oštećnje mehanizma popravka DNK. Izbor matematičkih modela za procjenu kakvoće zraka

U inženjerstvu kakvoće zraka se često koriste matematički modeli za razumijevanje uzroka i posljedica onečišćenja zraka, za predviđanje utjecaja novih ili modificiranih izvora onečišćenja zraka, te za istraživanje učinaka predloženih strategija upravljanja onečišćenjem prije same izvedbe opreme i primjene.

Razvijanje različitih modela motivirano je zakonskim propisima koji brinu o dobroj kakvoći zraka. Primjerice, predložena je izgradnja nove tvornice koja može ispuštati značajne količine onečišćujućih tvari u atmosferu. Zato je prije izgradnje obavezno provesti studiju procjene utjecaja na okoliš. Procjena utjecaja emisije onečišćujućih tvari ove tvornice uključuje predviđanje koncentracija opasnih tvari u zraku koju ispušta tvornica i potencijalnu izloženost ljudi. Druga česta potreba modeliranja kakvoće zraka je vezana uz postavljanje strategije za postizanje standarda kakvoće zraka. Na primjer, razina (koncentracija) ozona u velikim gradovima je veća od koncentracije propisane standardima kakvoće zraka. Prema zakonskim propisima, agencije za upravljanje kakvoćom zraka moraju razviti i primijeniti strategiju za smanjenje povišene koncentracije ozona do propisanih vrijednosti. Kontrola ozona u zraku urbanih sredina može se postići samo smanjenjem emisije prekursora – dušikovih oksida (NOx) i hlapivih organskih spojeva (VOC) koji se ispuštaju iz brojnih


93

izvora. Odluka koji će se izvori kontrolirati i do koje mjere, moguća je uz matematičke modele koji predviđaju koncentracije onečišćujućih tvari koje izazivaju fotokemijski smog, na osnovi podataka o emisiji tih tvari i meteorološkim podatcima.

Danas se pri modeliranju onečišćenja zraka koriste dvije velike grupe modela, statistički modeli i deterministički modeli. Unutar svake grupe postoji nekoliko modela i mnogo specifičnih primjena i provedbi.

Statistički modeli koriste alate poput vjerojatnosti i statistiku kako bi analizirali izmjerene koncentracije onečišćujućih tvari. Najčešći cilj je dobiti predviđanje za kratkoročno razdoblje. Na primjer, uz predviđene vremenske uvjete koje se koncentracije onečišćujućih tvari u zraku sutra očekuju? Statistički modeli zahtijevaju veliki broj podataka. Iako ne mogu predvidjeti posljedice ukoliko se uvjeti značajno promjene, prednost ovih modela je što ne zahtijevaju opsežno znanje o temeljnoj kemiji i fizici onečišćenja zraka.

Deterministički modeli se osnivaju na principu materijalne bilance. Cilj ovih modela je opisati uzrok i utjecaj procesa, koji povezuje emisije iz izvora do koncentracija na mjestu receptora. Ovi modeli općenito trebaju informacije o meteorološkim uvjetima i o emisiji onečišćujućih tvari kao ulazne podatke. Oni tada predviđaju koncentracije, uzimajući u obzir najznačajnije atmosferske procese prijenosa i transformacija. Ovi modeli mogu, nadalje, biti podijeljeni u dvije glavne grupe: Gausov model perjanice i model prijenosa i transformacije.

Gausov model perjanice se koristi za predviđanje odnosa između emisije iz jednog izvora (ili male grupe) i koncentracije koje se javljaju na mjestima niz vjetar. Lakoća uporabe je najjača strana ovog modela ali nije primjenjiv za kompleksne krajobraze (terene) i uglavnom se koristi za procjenu emisije onečišćenja iz lokaliziranih izvora.

Jednadžba Gausovog modela perjanice se dobiva rješavanjem opće materijalne bilance tvari uz pretpostavku da je prosječna brzina vjetra konstantna kao funkcija visine a da su turbulentne difuzivnosti εx, εy i εz neovisne o položaju. Ipak, ove se pretpostavke ne slažu uvijek najbolje s realnim uvjetima. Osim toga je turbulentne difuzivnosti teško pa i nemoguće izravno izmjeriti. U praksi se ovi problemi rješavaju tako da se u Gausovu jednadžbu perjanice uvrštavaju parametri disperzije σx, σy i σz umjesto članova za turbulentnu difuzivnost. Parametri disperzije tada ovise o udaljenosti niz vjetar od izvora emisije i atmosferskoj stabilnosti. Parametri disperzije se tada mogu procijeniti na osnovi empirijskih opažanja. Ovisnost parametara disperzije, σ, i turbulentnih difuzivnosti, ε, su definirane jednadžbom:

Uxejj 2=σ

gdje je: j smjer koordinata (x, y ili z). Na primjer, iz točkastog izvora je emisija onečišćenja niz vjetar pri konstantnoj brzini m (masa po vremenu). Koordinatni sustav je oblikovan tako da je vjetar (prosječna brzina = U) poravnat s osi x (slika 4.6.). Tada se koncentracija neke onečišćujuće tvari može predvidjeti jednadžbom:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−⋅⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

2

2

2)(exp

2exp

2 zyzy

HzyU

mCσσσσπ

Emisija iz točkastog izvora po visini je izražena kao z–H. Predviđena koncentracija onečišćenja ovisi o parametrima atmosferske disperzije σy i σz, a koji su ovisni o atmosferskoj stabilnosti.


94

Slika 4.6. Koordinatni sustav za primjenu Gausovog modela perjanice iz kontinuiranog točkastog izvora. Emisija onečišćujućih tvari se javlja iz točke (0, 0, H)

Modeli prijenosa i transformacije predviđaju koncentracije različitih vrsta onečišćujućih tvari u zraku iz svih značajnih izvora. Ovi modeli omogućuju razumijevanje i kontrolu problema fotokemijskog smoga u urbanom ali i u širem području. 4.3. OŠTEĆENJE STRATOSFERSKOG SLOJA OZONA I POSLJEDICE

Iako prodori zraka iz svemira uglavnom ovise o valnoj dužini, određene frekvencije sunčevog zračenja prodiru kroz atmosferu i dopiru do površine Zemlje (slika 4.7.). Samo određene radio frekvencije i zračenje oko vidljivog spektra prodiru do razine mora. Vrlo dugi radio-valovi ne dospijevaju niže od 50 km iznad razine mora, dok kraći radio valovi (1cm do 10 m) mogu. Glavnina ulaznih infracrvenih zraka potpuno se apsorbira oko 10-tog kilometra (upravo iznad visine Mount Everesta) osim male količine kratkovalne dužine infracrvenog zračenja, dok cijeli vidljivi spektar i ultraljubičaste zrake duljih valova dosežu do razine mora. Valne duljine kraće od ovih (x-zrake, γ-zrake i kozmičke zrake) bivaju zadržane na visini između 10 i 100 km.

Slika 4.7. Prodor sunčevog zračenja različitih valnih duljina u atmosferu

Iz konvencionalnih razloga ultraljubičasta svjetlost je podijeljena u tri kategorije a samo UV-A i ponekad UV-B prodiru do površine Zemlje. Na sreću biološki najštetnija UV-C biva potpuno profiltrirana (zaustavljena). Mnogi čimbenici utječu na prodor štetnih UV-B zraka na površinu Zemlje. Glavna prepreka prodoru UV-B zraka su molekule O3 prisutne u stratosferi ali i drugi okolišni čimbenici. To uključuje onečišćenja prisutna u troposferi, aktivnost


95

sunčevih pjega na Suncu i refleksija UV-B zraka s površina, oblaka ili aerosola. To su sve promjenjive veličine, pa je teško postaviti pouzdani globalni model koji bi mogao predvidjeti trend dotoka UV-B zraka. Teško je sa sigurnošću procijeniti količinu dotoka UV-B zračenja jer su mreže postaja uglavnom u velikim gradovima, pa se često registrira smanjeni dotok ovih štetnih zraka zbog troposferskog onečišćenja i oblačnog vremena. Međutim instrumenti sa sigurnošću registriraju povećani trend dotoka UV-B zraka u područjima oko polova zbog povećanog gubitka ozona u stratosferi. Gruba procjena ukazuje da za svakih 5% gubitka stratosferskog ozona, dotok UV-B poraste za 10% na razini mora. Daljnji porast UV-B zračenja vjerojatno će biti najveći oko Južnog Pola. Međutim predviđa se i 7% porasta svakog desetljeća iznad većine prenapučenih područja na sjevernoj hemisferi (35-60o N).

U termosferi, iznad 80 km od površine Zemlje, kisik postoji uglavnom u jednoatomnoj formi, jer velika energija sunčevih fotona pri valnoj duljini kraćoj od 242 nm razbija i najstabilnije molekule. Zatim se u stratosferi neki od ovih atoma spajaju s molekulama kisika pri čemu nastaje O3. Posljedica toga je velika koncentracija ozona u stratosferi (15-40 km). Najreaktivniji slobodni radikali su hidroksi radikali koji reagiraju s mnogim plinovima u atmosferi, uključujući i O3. Zato se kaže da postoji prirodna ravnoteža između O3, vodene pare i slobodnih radikala. Međutim dušikov(I) oksid (N2O) koji potječe s tla gdje se odvija denitrifikacija, naročito zbog neiskorištenog u suvišku dodanog mineralnog gnojiva obzirom da je inertan, diže se kroz troposferu do stratosfere. Ovdje reagira s jednoatomnim kisikom pri čemu nastaje NO, koji remeti prirodnu ravnotežu O3, vodene pare i OH radikala. I tada počinje ubrzanje nestanka ozona, izravno ili nastajanjem dodatnih slobodnih radikala.

Sredinom 70-tih godina porasla je zabrinutost da će veći broj letova nadzvučnim avionima injektirati značajnu količinu NO i NO2 u niži sloj stratosfere, koji bi uništili O3 koji štiti Zemlju od štetnog UV-B zračenja. Sretna je okolnost da iz brojnih razloga ovi letovi nisu komercijalizirani. Veći problem nastaje tijekom leta zrakoplova u višim slojevima troposfere jer izgaranjem goriva u atmosferu dospijevaju određene količine neizgorenih ugljikovodika i dušikovih oksida, koji stvaraju dodatnu količinu O3 što doprinosi povećanju globalnog zagrijavanja Zemlje. Međutim, glavne prijetnje stratosferskom ozonu potječu od N2O i halougljika (klorfluorugljika) porijeklom iz raspršivača, rashladnih uređaja i sredstava za gašenje požara. Klorfluorugljici (CFC) i njihova zamjena

Tridesetih godina 20. stoljeća počela je proizvodnja halougljika (spojevi fluora, klora ili broma s ugljikom), a dramatično porasla sredinom stoljeća. Ti spojevi najčešće sadrže fluor i klor, a poznati su pod nazivom klorfluorugljici (CFC-s, chlorofluorocarbons). Spojevi CFC-a, grupnog imena - freoni, se primjenjuju kao sredstva za raspršivanje, rashladne tekućine u hladnjacima, zatim pri proizvodnji pjenastih masa te kao izolacijsko sredstvo kondenzatora. Služe i kao otapala za čišćenje dijelova elektroničke opreme, a u medicini za raspršivanje sredstava za anesteziju i inhalaciju pri liječenju astme i napada angine pektoris. Spojevi CFC-a, grupnog imena - haloni, koriste se u protupožarnoj zaštiti.

U početku se smatralo da su ti spojevi potpuno inertni i bezopasni. Danas se zna da ukupna količina klora u atmosferi iznosi preko 4 nl L-1, što se čini malom količinom, međutim uglavnom potječe od spojeva CFC-a. Kada se ovi spojevi raspadnu u atmosferi, oslobođeni atom klora uništava ozon. Jedan atom klora u stratosferi može uništiti nekoliko tisuća molekula ozona, dok atom broma uništava 40 puta više molekula O3, nego klor. Problemi s klorfluorugljicima (freoni i haloni) počinju u stratosferi. Kompliciranim reakcijama uz prisutnost svjetlosti oni se raspadaju tako što reagiraju s jednoatomnim kisikom pri čemu nastaju atomi klora ili broma. Ovi atomi dalje reagiraju s O3 pri čemu se ozon raspada, a nastaju oksidi broma i klora. U konačnici dušikovi oksidi reagiraju s oksidima klora (ili


96

broma) pri čemu nastaju vrlo neobični spojevi klornitrata (bromnitrata). Ti spojevi zatim reagiraju s vodom pri čemu nastaje dušična kiselina, kako je prikazano u jednadžbama:

Cl + O3 → ClO + O2 ClO + O → Cl + O2

ClO + NO2 + M1 → ClNO3 + M 2 ClNO3 + 2 H2O → 2 HNO3 + 2 HCl + O2

Udio oštećenja stratosferskog ozona dramatično raste svakog proljeća na Antarktici

(rujan-studeni). Pojava ozonskih „rupa“ poklapa se s prekidom brzog vrtložnog gibanja zraka, koji se proteže od razine tla do stratosfere, pri čemu je cijela atmosfera iznad Antarktike izolirana od gibanja ostale zračne mase na južnoj polutki tijekom polarne zime – od lipnja do rujna (slika 4.8.).

Slika 4.8. Shematski prikaz izoliranosti zračne mase unutar antarktičkog vrtloga

Unutar tog vrtloga je velika brzina vjetrova, ne prodiru sunčeve zrake i temperatura se može spustiti do -60 oC i više. Pri tako niskim temperaturama dušična kiselina je u obliku smrznutog aerosola i vrlo učinkovito vezuje na sebe klor i brom, te nema reakcija s hidroksi radikalima. Međutim, u proljeće nestankom vrtloga opet prodire sunčeva svjetlost, te akumulirani atomi klora, broma i OH radikala ubrzano uništavaju stratosferski ozon. Iznad Arktika, zimske temperature nisu tako niske kao na Antarktici niti se stvaraju takvi vrtlozi koji bi dosezali od pola do stratosfere potpuno izolirajući dio zračne mase (slika 4.9.). Kao rezultat toga, prisutna dušična kiselina se ne smrzava i ne nakuplja atome klora i broma. To znači da oštećenje ozonskog sloja iznad Arktika u proljeće, iako prisutno, nikada nije tako izrazito kao iznad Antarktike.

Slika 4.9. Shematski prikaz izgleda vrtložne zračne mase iznad Arktika


97

Još davne 1928. su kemičari u tvornici General Motors sintetizirali prve spojeve

klorfluorugljika, CFCl3 (CFC-11) i CF2Cl2 (CFC-12) koji su služili kao rashladna tekućina. Ta dva spoja su dugo godina dominirala na tržištu. Primjena CFC-a u svakodnevnom životu i zastupljenost u proizvodima i opremi u postotcima prikazana je u slici 4.10.

18%

30%

22%

8%

25% Klima u autima

Klima uređaji i hladnjaci

Pjene i izolacijski materijal

Industrijska sredstva začišćenjeOstalo

Slika 4.10. Model strukturnih formula prvih spojeva CFC (lijevo) i primjena CFC (desno) Međutim 1987. Montrealskim protokolom, koji je ratificiran u Londonu 1990. i u

Kopenhagenu 1992. ukida se daljnja proizvodnja CFC-a zbog oštećenja ozonskog sloja . Ovaj međunarodni dogovor koji je potpisalo preko 50 zemalja, sugerira da se proizvodnja CFC-a zaustavi na količinama iz 1986., zatim smanji ukupna proizvodnja za 50% do 1995. te za 85% do 1997., a potpuna zamjena izvrši do 2010. godine. Međutim, potpuna zamjena niti do danas nije ostvarena. I dalje se provode brojna istraživanja u iznalaženju spojeva koji bi mogli zamijeniti dosadašnje CFC-e. Na primjer, butan (C4H8) se često koristi pod geslom "prijatelj O3" kao potisno sredstvo u aerosolima. Međutim spoj je vrlo zapaljiv i izazvao je već nekoliko tragičnih nesreća. Nešto bolji su spojevi vodik fluoralkani (HAF-i) s niskim sadržajem fluora. Utjecaj ultraljubičastih zraka na ljude i okoliš

UV-B zrake su korisne za ljudsko zdravlje jer pretvaraju 7-dihidro-kolesterol prisutan u stanicama kože u vitamin D3. Uz D2 koji se unosi hranom, oba vitamina značajna su za pravilno formiranje kostiju u ljudskom tijelu. UV-B također zaustavlja neke alergijske promjene na koži (neki dječji osipi). Ali s tim bi pozitivan utjecaj bio i iscrpljen. Mala količina UV-B je korisna, ali preveliki dotok šteti ljudskom zdravlju (slika 4.11.)

Karcinom kože je najčešća posljedica djelovanja UV-B zračenja, pri čemu se češće javlja kod svjetlopute populacije. Mogu nastati dva tipa karcinoma: melanomski i nemelanomski. Prvi nastaje u stanicama koje tvore pigment na koži, a drugi u stanicama koje tvore keratin. Javljaju se različita oštećenja očiju:

akutni fotokeratitis (snježna sljepoća), katarakt (zamućenje očne leće - zrake oštećuju protein β-kristalin), presbiopija (prerana potreba za naočalama) intraokularni melanom.

UV-B zračenje negativno utječe na imunosustav kože u obrani od stranih tijela kao što su bakterije, virusi, fungi.

Istraženo je preko 300 različitih viših biljaka i ustanovljene su u 50% vrsta promjene zbog povećana količina UV-B zračenja. Uglavnom su osjetljivije bile širokolistne vrste nego one s uskim listovima. Listovi nekih vrsta su postali deblji. Kod drugih vrsta nastali su dodatni


98

pigmenti u površinskim slojevima listova. Ti pigmenti su flavonoidi ( kompleksi fenola) koji često daju brončanu ili crvenkastu boju listu. Kod nekih vrsta je uočeno da se rubovi listova uvijaju prema gore, zatim povećana razgranatost, kraća dužina listova, te povećani broj listova osobito kod trava. Također, pupanje biljaka može krenuti ranije u proljeće a listovi ostaju duže u jesen. Cvjetanje može biti izraženije ili smanjeno, ovisno o vrsti.

Slika 4.11. Preveliki dotok UV-B zraka zbog oštećenja ozonskog sloja

Neki mikroorganizmi poput kvasaca ili cijanobakterija posjeduju dodatni mehanizam zaštite od UV-B zračenja. U prisutnosti UV-B, oni često ispuštaju fenole u okolni medij koji apsorbira UV-B. Spore nekih plijesni u fazi germinacije su vrlo osjetljive na UV-B, dok su druge otpornije. Osjetljivost je vezana uz promjene koje nastaju u nukleinskim kiselinama zbog djelovanja UV-B, dok je otpornost drugih vrsta vezana uz sposobnost sinteze karotenoidnih pigmenta koji ih štite od štetnog djelovanja. Morski fitoplanktoni su također osjetljivi na preveliki dotok UV-B zraka, osobito grupa koja obitava u većim dubinama. Fotoreceptori za fotosintezu kod fitoplanktona su mnogo osjetljiviji od kopnenih biljaka, jer moraju „zarobiti“ svjetlost u dubljim slojevima mora ili oceana mnogo učinkovitije. U plitkim vodama, neki fitoplanktoni posjeduju zaštitne pigmente ili aminokiseline koje apsorbiraju zračenje u UV-A i u plavom području. 4.4. GLOBALNO ZAGRIJAVANJE I PROMJENA KLIME

Stvarni proces nastajanja "učinka staklenika" počinje kada sunčeva zrake udare u površinu ili molekulu plina, pri čemu gube energiju, a valna duljina se tog zračenja produžava. To znači kada sunčevo zračenje velike energije (uglavnom vidljive i nešto dugovalnih UV) uđe u atmosferu, dio se odmah odbija o oblake i reflektira natrag u svemir (slika 4.12.). Oko 50% zračenja dospije na površinu planeta i većina se reflektira natrag u obliku infracrvenog zračenja s nižom energijom. Mala količina ovog zračenja (10%) izravno odlazi u svemir, dok glavninu apsorbiraju određene molekule plinova u atmosferi. Te molekule onda zrače dio apsorbirane infracrvene energije u sve smjerove, neke u svemir a neke natrag na površinu Zemlje. Nadalje zagrijavanje površine Zemlje, izravno sunčevom energijom i neizravno zbog povratka infracrvenog zračenja, dovodi do isparavanja vode i konvekcije zraka prema gore. Ukupni učinak je proces zagrijavanja, kao da je cijela površina Zemlje ogrnuta toplim pokrivačem, koji je poznat pod nazivom „prirodni učinak staklenika“.


99

Slika 4.12. Tokovi zračenja iz svemira i povrat u svemir

Međutim, zbog povećanja koncentracije stakleničkih plinova u atmosferi u zadnjih 100 godina dolazi i do povećanja „učinka staklenika“, odnosno dodatnog antropogenog zagrijavanja atmosfere. Temperatura je porasla za 1°C u toku zadnjeg stoljeća, a predviđa se daljnji porast između 1 i 3,5 °C u slijedećih 100 godina, što je mnogo uzme li se u obzir da je tijekom zadnjeg ledenog doba bilo u prosjeku samo 4 °C hladnije nego danas (a ledom je bila okovana skoro cijela Europa i Sjeverna Amerika). Zbog porasta temperature i topljenja ledenjaka, razina mora raste 2 mm godišnje, a predviđa se da će se do 2050. godine podići za 50 cm. Ovdje se javlja još jedna povratna veza: led reflektira oko 95% sunčeve topline i svjetlosti dok voda reflektira samo 15%, a kako raste temperatura i tope se ledenjaci, sve je manje ledene površine koja reflektira svjetlost, a sve više vodene površine koja je apsorbira i globalna temperatura još više raste, što topi nove ledenjake i tako u krug. Oceanolozi i klimatolozi su izračunali da je u novije vrijeme prosječna godišnja (1998., 2002. i 2003. godina) temperatura zraka u atmosferi veća za 0,3-0,6 oC u odnosu na prosječne godišnje temperature u proteklih deset godina ili u usporedbi sa zadnjih 50 godina. Staklenički plinovi i posljedice promjene klime

Neki od plinova ostaju dugo u atmosferi (CO2, N2O i CFC-i) dok su drugi kratkog vijeka (troposferski ozon). Nastajanje, koncentracije i ponašanje ostalih plinova u atmosferi opisano je u prethodnim poglavljima. U atmosferi prevladava CO2 koji doprinosi zagrijavanju s oko 50%, ali i ostali plinovi su također značajni, jer oni učinkovitije apsorbiraju infracrvene zrake od CO2 (slika 4.13.). Na primjer, molekula O3 apsorbira 2000 puta više energije nego molekula CO2 a molekula CFC još i više.

54%

6%7%

12%

21%

Nox

O3CH4

CFCCO2

Slika 4.13. Udio stakleničkih plinova u atmosferi (lijevo) i tvari koje utječu na globalno zagrijavanje izražene u ekvivalentima CO2 (desno)


100

Zbog prekomjernog zagrijavanja planeta, ljudska populacija će uglavnom osjetiti sociološke, ekonomske i geopolitičke posljedice a ne biološke. Nepredvidive oluje, bujice, pa i potapanje određenih predjela utjecat će na rast usjeva, moguću migraciju populacije, a to utječe na ekonomski napredak.

Zbog rasta temperature u atmosferi, raste udio isparavanja vode s površine tla, što utječe na povećanje pustinjskih površina. Neke su se biljke već sada prilagodile na smanjenu količinu dostupne vode. Određeni sukulenti i kaktusi pokazali su alternativni oblik fotosinteze. Doduše, ponekad se zaboravlja da su biljke tijekom svoje evolucije već nekoliko puta osjetile značajne promjene klime (zagrijavanje i zahlađivanje). Zato se očekuje da će biljke kao i ranije pronaći mogućnost prilagodbe na novonastale uvjete. Literatura uz Poglavlje 4.:

1. Calabrese E.J.; Kenyon E.M. Air toxics and Risk assessment, Lewis, Chelea, 1991. 2. Nazaroff W.W., Alvarez-Cohen L., Environmental Engineering Science, John Wiley˛Sons, Inc.,

New York, 2001. 3. Houghton J.T., Ding Y., Griggs D.J., Noguer M., van der Linden P.J., Dai X., Maskell K., Johnson

C.A. (Eds.) Climate Change 2001: The scientific basis, Cambridge University Press, New York, 2001.

4. Godish T., Air Quality, Lewis Publishers, Chelsea 1985. 5. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric chemistry and physics: From air pollution to climate

change, Wiley, New York, 1998. 6. Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske (NN 38/2002) 7. Vidič S.,Utjecaj i prilagodba na klimatske promjene, u Prvo navcionalno izvješće Republike

Hrvatske prema okvirnoj konvenciji Ujedinjenih naroda o promjeni klime (UNFCCC), Ministarstvo zaštite okoliša i prostornog uređenja, Zagreb, 2001.

8. Wellburn A., Air pollution and Climate Change: the biological impact, 2nd ed., Longman Scientific &Technical, Essex, 1996.

9. Zakon o energiji, Narodne novine 68/01, Zagreb, 2001. 10. Zakon o zaštiti zraka, Narodne novine NN 178/2004.

Pojmovnik 4. poglavlja: zrak: zrak troposfere na otvorenom prostoru, izuzevši zrak na mjestu rada. onečišćujuća tvar: svaka tvar ispuštena/unesena u zrak izravnim i neizravnim ljudskim djelovanjem koja bi mogla nepovoljno utjecati na ljudsko zdravlje, kakvoću življenja i/ili na kakvoću okoliša u cjelini. razina onečišćenosti: koncentracija onečišćujuće tvari u zraku ili njeno taloženje na površine u određenom vremenu. kakvoća zraka: svojstvo zraka kojim se iskazuje značajnost u njemu postojećih razina onečišćenosti. onečišćeni zrak: zrak čija je kakvoća takva da može narušiti zdravlje, kakvoću življenja i/ili štetno utjecati na bilo koju sastavnicu okoliša. granična vrijednost (GV): granična razina onečišćenosti ispod koje, na temelju znanstvenih spoznaja, ne postoji, ili je najmanji mogući, rizik štetnih učinaka na ljudsko zdravlje i/ili okoliš u cjelini i jednom kada je postignuta ne smije se prekoračiti. kritična razina: razina onečišćenosti čije prekoračenje predstavlja opasnost za ljudsko zdravlje pri kratkotrajnoj izloženosti, pri čijoj se pojavi žurno moraju poduzeti odgovarajuće propisane mjere. emisija: ispuštanje/unošenje onečišćujućih tvari u zrak. praćenje emisije: mjerenje i/ili procjenjivanje emisije onečišćujućih tvari iz izvora onečišćivanja zraka. staklenički plinovi: plinoviti sastojci atmosfere koji se, prema Okvirnoj konvenciji Ujedinjenih naroda o promjeni klime, nadziru. onečišćivač: pravna ili fizička osoba čije djelovanje izravno ili neizravno onečišćuje zrak. praćenje kakvoće zraka: sustavno mjerenje i/ili procjenjivanje razine onečišćenosti prema prostornom i vremenskom rasporedu. upravljanje kakvoćom zraka: osiguravanje izvršenja mjera kojima se provodi strategija sprječavanja i smanjivanja onečišćivanja zraka na svim razinama, tako da se time ne ometa uravnoteženi razvoj.

5. Ostale vrste i izvori onečišćenja

101

Poglavlje 5: OSTALE VRSTE I IZVORI ONEČIŠĆENJA OKOLIŠA

U ovom poglavlju će biti opisane vrste onečišćenja koje se mogu istovremeno raspršiti u vodu, tlo i zrak ili u vodu i zrak, odnosno tlo i zrak. Ove vrste odnosno izvori onečišćenja mogu istovrememno nepovoljno djelovati na više ekosustava.

5. 1. PROBLEM PREKOMJERNE UPORABE PESTICIDA Pesticidi (pest - štetočina, zlo, pošast) je opći pojam za kemijska sredstva kojima se

uništavaju štetočine ili se inhibira njihov razvoj. Drevne civilizacije poznavale su i koristile jednostavne kemijske spojeve za zaštitu usjeva

i uskladištenih plodova i namirnica. Prije 3.200 godina u Kini su se upotrebljavali anorganski spojevi žive i arsena u suzbijanju uši i stjenica, Sumerani su 2.500 godina prije Krista upotrebljavali sumporne spojeve u zaštiti namirnica od insekata. Već prije 2.000 godina na području tadašnje Perzije bila je poznata metoda ekstrakcije piretrina, kao insekticida, iz osušenih cvjetova buhača Chrysanthemum cinerariaefolium, a spoznaje o njegovoj izolaciji i uporabi u Europu su prenijeli Križari. U rimskog doba se primjenjivao bakar u suzbijanju gljivičnih bolesti biljaka, a u kombinaciji sa sumporom, bakar je služio u zaštiti vinove loze od najezde gusjenica.

Paul Müller je 40-ih godina 20. stoljeća otkrio da novo sintetizirani spoj diklor difenil trikloretan (DDT) ima insekticidno djelovanje, te počinje njegova masovna proizvodnja i primjena u Drugom svjetskom ratu. Unutar desetak godina oktriveno je biocidno djelovanje mnogih sintetskih spojeva poput heksaklorcikloheksana, 2,4-diklorfenoksioctene kiseline, ditiokarbamatnih spojeva, klordana, organofosfatnih spojeva te njihovog plasmana na tržište.

Međutim, već 40-tih godina prošlog stoljeća Rachel Carson piše članke i upozorava javnost o potencijalnoj dugoročnoj štetnosti široke primjene postojanih kemijskih spojeva poput DDT-a, jer prethodno nisu provedena istraživanja o utjecaju na ljude i okoliš. Godine 1962. objavljuje knjigu „Silent spring“ (Tiho proljeće) u kojoj opisuje odsutnost ptica pjevica na brojnim poljima diljem SAD-a. Povezuje njihov nestanak trovanjem pesticidima koji su postojani u okolišu. Vodile su se brojne kontroverzne rasprave, te je pred kongresnim odborom odgovarala na brojna pitanja. Tek kada se J. F. Kennedy, američki predsjednik, 1963. zainteresirao za tu temu, provedena su temeljita znanstvena istraživanja i nakon toga je zabranjena uporaba DDT-a u SAD. U sljedećim desetljećima su i druge države uvele zabranu korištenja DDT. Kemijski sastav i podjela pesticida

Pesticidi se razlikuju po sastavu, kemijskim i fizikalnim svojstvima. Kompleksne su strukture (supstituirani alifati, alicikli i aromati na kojima se nalaze radikali halogena, amino ili karboksilne skupine). Prema kemizmu dijele se u tri grupe: anorganski spojevi poput As, Cu, Pb, Hg, Zn; organski spojevi koji sadrže metalni ion (metalo-organski spojevi) npr. klorfenoli s Hg i Sn ; organski spojevi (vodotopivi i vodonetopivi).

Postoje različite podjele pesticida ali najčešće se primjenjuje podjela prema skupini organizama na koje djeluje odgovarajući pesticid, Ovisno na koji sustav djeluju, pesticidi su razvrstani unutar 11 skupina kako slijedi: akaricidi za suzbijanje grinja, algicidi za suzbijanje rasta algi, avicidi odbijaju ptice od usjeva, baktericidi sprječavaju rast bakterija, fungicidi sprečavaju rast gljivica, herbicidi suzbijaju rast korova, insekticidi suzbijaju štetne kukce, moluscidi suzbijaju puževe, nematocidi suzbijaju nematode, rodenticidi suzbijaju glodavce i virucidi sprečavaju prisutnost virusa.


102

Brojni pesticidi koji su se proizvodili 60-tih godina 20. stoljeća, danas su zabranjeni u EU ali i u Hrvatskoj. Od 90-ih godina prošlog stoljeća, ne razvijaju se nove kemijske skupine spojeva, nego se modificiraju aktivne tvari postojećih pesticidnih pripravaka kako bi se povećala njihova selektivnost, a time smanjilo opterećenje okoliša i rizik za ljudsko zdravlje. Razgradnja pesticida u okolišu

Danas se zna da su pesticidi najveći izvor onečišćenja u okolišu. Posljedica prekomjerne uporabe pesticida kao agro-tehničke mjere u zaštiti poljoprivrednih usjeva jest onečišćenje vode, tla i zraka.

Pesticidi koji su nakon primjene dospjeli u okoliš mogu se rzgraditi fotokemijski, katalitički i mikrobiološki. Većina pesticida koja apsorbira vidljivu ili UV-svjetlost podliježe fotokemijskoj razgradnji kada se izlaže svjetlosti. Do te pojave dolazi samo do kuda svjetlost prodire, pa se u tlu odvija samo pri površini. Ipak, teško je razlučiti fotokemijski učinak od ostalih čimbenika koji utječu na razgradnju pesticida. Pri katalitičkoj razgradnji dolazi do redukcije, oksidacije, hidrolize i izomerizacije pesticida uz organske i anorganske komponente u tlu. Tako na primjer ioni Mn i Co mogu katalizirati oksidacijske i redukcijske reakcije, a ioni Cu kataliziraju hidrolizu nekih organofosfornih estera.

Neki mikroorganizmi prisutni u okolišu mogu razgrađivati pesticide ali je taj proces najčešće vrlo spor. Tijekom vremena su istraživači postupkom prilagođavanja uspjeli u laboratorijskim uvjetima izolirati mikroorganizme koji mogu ciljano uspješno razgrađivati određene pesticide (tablica 5.1.).

Utvrđeno je da su najbrojnije bakterije koje razgrađuju određenu grupu pesticida i istražen je njihov mehanizam razgradnje takvih spojeva.

Tablica 5.1. Biorazgradnja i detoksikacija odabranih pesticida

Pesticidi Mirkoorganizmi Put razgradnje

DDT, Lindan, Heptaklor, Klordan

Aerobacter aerogenes, E. coli, Proteus, Clostridium, Pseudomonas fluorescens, Streptomyces, Aspergillus flavus

Reduktivna deklorinacija (anaerobno) i dehidrokloriranje (aerobno)

Diazinon, Parathion, Malathion, Karbaryl, Karbofuran

Arthrobacter, Streptomyces, Flavobacterium, Pseudomonas, Nocardia, Trichoderma viride

Hidroliza alkilnih i arilnih veza, reduktivna transformacija, reduktivno demetiliranje

Preliminarna istraživanja provedena 1993. godine u Hrvatskoj, pokazuju da tla nisu onečišćena zabranjenim pesticidima. Međutim, ta su istraživanja provedena tijekom samo jedne godine na određenim odabranim površinama zbog nedostatka financijskih sredstava. Za potpuniju sliku stanja hrvatskih tala bilo bi potrebno provesti višegodišnje istraživanje.


103

5.2. IZVORI ONEČIŠĆENJA PRI PROIZVODNJI ELEKTRIČNE ENERGIJE

Tijekom proizvodnje električne energije u termoelektranama i nuklearnim elektranama je potrebna velika količina rashladne vode. Za proizvodnju pare najčešće se kao energenti koriste ugljen (pri iskopu nastaju kisele rudničke vode koje dodatno opterećuju okoliš) i nuklearna energija (o čijem otpadu također treba voditi računa). Također je za proizvodnju pare potrebno koristiti posebno „čistu“ vodu, odnosno demineraliziranu vodu. I na karaju nakon proizvedene električne energije, kondenzat sadrži određenu količinu topline koju treba ukloniti. Ispuštanje rashladne vode (ekološki problem) ovisi o lokaciji, dostupnosti vode i vrsti vodnog puta u koji se ispušta. Vrste onečišćenja

Toplinsko onečišćenje nastaje od vode iz rashladnih tornjeva, jer je njihova temperatura često viša od zakonom propisane vrijednosti, koja iznosi 1-2 °C više od temperature vodotoka.

Toplinsko onečišćenje koje nastaje u termoelektranama i u nuklearnim elektranama može se zbrinjavati na više načina. Temperatura vode u recipijentima se može održavati na zadovoljavajućoj razini tako da se prije ispuštanja topla vodi ohladi dodavanjem hladne vode, zatim raspršivanjem, povećanjem vrtloženja tople vode za bolju aeraciju i hlađenje, te primjena bazena za uskladištenje rashladne vode. Moguće je i poboljšati učinkovitost rada termoelektrana uvođenjem zatvorenog sustava u procesu hlađenja vode, te iskorištavanje otpadne topline za odsoljavanje vode ili zagrijavanje cijelog kompleksa zgrada. Najlošiji izbor je odlaganje otpadne topline u atmosferu..

Izvedba i oblik rashladnih uređaja ovisi o količini vode koja je dostupna i dozvoljenoj temperaturi vode koja se vraća u vodotok. Najčešće su to rashladni tornjevi, a ponegdje se mogu sresti i lagune. U rashladnim tornjevima se vruća voda može izravno raspršiti ili preko kaskada u tornju pri čemu ona predaje toplinu okolnom zraku (slika 5.1.). Nedostatak ovih sustava je što određena količina vode ispari u atmosferu, pa se mora nadoknaditi. U tornjevima s recirkulacijom, vruća voda se hladi unutar tornjeva (slika 5.1.). Postoje različiti sustavi: voda-zrak; voda-voda. Pri tome je moguće koristiti i morsku vodu u izmjenjivačima topline.

Slika 5.1. Shematski prikaz rashladnih tornjeva otvorenog tipa (lijevo) i zatvorenog tipa (desno Lagune se primjenjuju u krajevima s niskom relativnom vlagom u zraku uz dostupnu veliku površinu tla.

Tekući otpadni tokovi nastaju tijekom rada termoelektrana koji su vezani uz samo postrojenje ili lokacije gdje se skladišti čvrsto gorivo koje služi kao energent. Otpadni tekući tokovi su sljedeći:

1) Vruće koncentrirane otopine soli iz kotlovnice 2) Kiseline i lužine od čišćenja postrojenja u elektrani 3) Otpadna voda od ispiranja plinova


104

4) Kiseline i lužine od regeneriranja ionskih izmjenjivača 5) Kisele procjedne vode iz skladišta ugljena 6) Procjedne vode s odlagališta šljake i pepela 7) Sanitarne otpadne vode 8) Ulja, masti i različiti tekući otpad Čvrsti otpad nastaje spaljivanjem ugljena u termoelektranama pri čemu nastaje oko 10 %

šljake kao otpada. Nekada se šljaka odvozila na obale rijeka, nabujale vode bi šljaku vremenom otplavile nizvodno. Danas se šljaka može koristiti kao dodatak Portland cementu, mineralno punilo pri asfaltiranju, zamjena cementu u smjesi betona, pri stabilizaciji ili popuni udubina u tlu, te kao sredstvo za koagulaciju pri obradi otpadne vode.

Emisija štetnih plinova se ne može izbjeći pri izgaranju energenata poput ugljena ili

plina. Sumporov dioksid (SO2) i dimna prašina uklanjaju se u vlažnim skruberima uz dodatak Na2CO3 (ukloni se 98 % prašine, odnosno 91 % SO2), u ciklonskim separatorima ili elektrostatskom precipitacijom.Vodeni mulj u skruberu nastao pri pročišćavanju dimnih plinova se odvodi u taložnik, a višak otpadne vode se ispušta preko preljeva. Ovakve otpadne vode su jako korozivne i negativno utječu na tijek biološke obrade otpadne vode. Zato se uspuštaju vrlo polagano i kontrolirano ili u uređaj za obradu, kanalizaciju ili vodotok. Utjecaj neobrađenih otpadnih tokova na prijemnike

Povećanje temperature vode u prijemnicima smanjuje količinu otopljenog kisika, povećava bakterijsku aktivnost i aktivnost kralježnjaka uz daljni pad koncentracije kisika, ribe se ranije počinju mrijestiti a hrana im još nije dostupna, vodni svijet postaje osjetljiviji na toksične spojeve, te se smanjuje uporabna vrijednost vode za vodoopskrbu.

Dotok soli iz kotlovnice (fosfati, karbonati, sulfati i neke organske tvari) može stimulirati rast algi, smanjiti koeficijent isparavanja vode, povećati tvrdoću vode, te učiniti vodu korozivnom za čamce i uređaje u kućanstvu.

Dodatak sredstava za dezinfekciju (klor i bakrov sulfat) i za smanjenje rasta sluzavih bakterija u rashladnim uređajima mijenja boju i okus vode rijeka, te smanjuje broj i vrstu bakterijske populacije.

Moguć je dotok radioaktivnih tvari u prijemnike, a te tvari se akumuliraju u ribama, a s tim i u ljudskoj hrani, te mogu dospjeti u vodocrpilište što može biti štetno pri dugotrajnoj uporabi takve vode za piće.

Može doći do smanjenja sloja hladne vode u dubljim dijelovima u jezerima koja se koriste kao izvor vode za rashladne tornjeve zbog miješanja gornjeg sloja (epilimniona) i donjeg sloja (hipolimniona). Pri tome se mijenja koncentracija otopljenog kisika i hranjivih soli (soli P i N) koje dospijevaju iz dubljih slojeva u pliće slojeve jezera. Zbog toga postaju dostupnije algama i drugom vodnom bilju što dovodi do moguće eutrofikacije jezera. Energenti i njihov utjecaj na okoliš

Ugljenokopi, osobito površinski kopovi nepovoljno utječu na okoliš. Na tim mjestima se

potpuno uklanja vegetacija i površinski slojevi tla pri čemu nestaje stanište za organizme na tom području. Osim toga dolazi do erozije tla i onečišćenja voda. Zato se zakonom treba zabraniti otvaranje rudokopa u zaštićenim područjima, kao što su nacionalni parkovi i parkovi prirode. Osim toga, po završetku eksploatacije trebalo bi takve površine sanirati i ponovno ozeleniti. Takvi zahvati nisu jeftini, ali bi tijekom eksploatacije trebalo izdvajati određena sredstva upravo u tu svrhu (ekološka renta). Podzemni ugljenokopi su opasni po ljudsko


105

zdravlje. Tijekom 20. stoljeća je više od 90.000 američkih rudara poginulo u rudnicima. Osim toga mnogi su umrli od plućnog karcinoma, zbog dugotrajne izloženosti ugljenoj prašini. Ugljena prašina onemogućava izmjenu kisika između pluća i krvi. Procjenjuje se da od ove bolesti godišnje umire 2000 rudara u SAD. Pri izgaranju ugljena ispušta se ugljikov dioksid u atmosferu. U prirodi postoji ravnoteža između CO2 u atmosferi i onog otopljenog u oceanima. Dodatno ispuštanje CO2 u atmosferu narušava prirodnu ravnotežu i sprječava povrat toplinske energije u ionosferu (učinak staklenika). Tako globalni porast temperature može uzrokovati otapanje ledenjaka na polovima. Posljedica toga je podizanje razine mora te poplava obalnog područja. Pri tome dolazi do erozije tla i ugrožavanja građevina i opstanka ljudske zajednice na takvim područjima. Izgaranjem ugljena u atmosferu dospijevaju i drugi plinovi kao što su sumporovi i dušikovi oksidi. Ovi plinovi reagiraju s vodenom parom u atmosferi pri čemu nastaje kisela kiša i/ili kiseli talog.

Uporaba nafte i prirodnog plina stvara dvije grupe problema. Prvi problem je vezan uz onečišćenje atmosfere a drugi uz eksploataciju i transport. Pri izgaranju naftnih derivata također dolazi do emisije CO2 i drugih štetnih plinova u atmosferu, a posljedice koje nastaju već su prije opisane. Nasuprot tome, spaljivanje prirodnog plina toliko ne onečišćuje atmosferu, kao spaljivanje drugih goriva. Može se reći da je ova vrst goriva najčišća od svih fosilnih goriva. Negativni utjecaj na okoliš može izazvati transport ovih goriva, bilo naftovodima ili tankerima. Izljev nafte po vodnim površinama tijekom transporta stvara ozbiljnu ekološku krizu, jer se strujanjem vode naftne mrlje gibaju i onečišćuju velika područja.

Nuklearna energija u usporedbi s fosilnim gorivima, ispušta vrlo malo onečišćenja u atmosferu. Ipak, ona proizvodi nuklearni otpad (istrošeno gorivo), koje je vrlo radioaktivno i shodno tome opasno. Zbog izuzetne opasnosti za zdravlje ljudi, ali i okoliš, potrebno je poduzeti posebne mjere pri zbrinjavanju takvog otpada. Nuklearne elektrane proizvode i druge vrste otpada kao što su radioaktivni rashladni fluidi i plinovi u reaktoru. Zamjena ugljena s nuklearnom energijom ipak nije smanjila opasnost od globalnog zagrijavanja. Izračunato je da 15 % stakleničkih plinova potječe od elektrana, dok većina tih plinova nastaje iz prometa i industrijskih procesa. Također, pri iskopavanju i obogaćivanju urana se koriste fosilna goriva kao energenti, pa se može reći da nuklearna energija ipak indirektno utječe na povećavanje stakleničkih plinova. Utjecaj ugljena i nuklearne energije na okoliš prikazan je u tablici 5.2.

Tablica 5.2. Usporedba utjecaja izgaranja ugljena i nuklearne energije na okoliš

Godišnji utjecaj Ugljen-površinski kop Nuklearna energija Uporabljeno zemljište (ha) 42.500 4.750 Otpadna voda (tona) 40.000 21.000 Emisija plinova (tona) 380.000 6.200 Radioaktivna emisija (kiri) 1 28.000 Smrtnost 0,5-5 0,1-1 Drugi utjecaji na okoliš Globalna promjena klime Moguća veza s nuklearnim oružjem U SAD se od 1976. godine nisu gradile nove nuklearne elektrane, jer je njihova izgradnja

vrlo skupa. Danas je u SAD-u u pogonu oko 100 nuklearnih elektrana, a u svijetu oko 400 elektrana. U nekima su se dogodile nezgode. Iako one ne mogu eksplodirati kao nuklearne bombe, ipak mogu ispustiti opasne koncentracije radijacije u okoliš i utjecati na ljudske živote. Pri nepravilnom održavanju ovakvih postrojenja može doći do kvarova, te se pri visokim temperaturama metal (plašt uranskog goriva) topi pri čemu dolazi do radioaktivnog zračenja. Voda koja služi za hlađenje reaktora se može zagrijati do vrenja tijekom nezgode, pri čemu nastaje radioaktivni oblak vodene pare. Posljedice ovakve nesreće su drastične, te trenutačno i dugoročno ugrožavaju ljudski život (djelomično otapanje jezgre reaktora ,Three Mile Island, Pensilvanija; eksplozija nuklearnog reaktora Černobil, Ukrajina; eksplozija reaktora zbog potresa i plimnog vala, Fukušima, Japan).


106

Energetska strategija u Republici Hrvatskoj

Energetska strategija kao dio ukupne gospodarske strategije i izgradnja novog sustava gospodarenja energijom u Republici Hrvatskoj, koncipirana je kao nacionalna strategija koja u prvi plan stavlja temeljne interese države i građanina/potrošača iznad bilo kakvih parcijalnih i privatnih interesa. Strategijom se definiraju ciljevi i potrebne mjere sa svrhom realizacije energetske politike. Osim toga, kreiranje energetske strategije potrebno je i zbog preuzetih međunarodnih obaveza u području zaštite okoliša, te zbog prilagodbe energetskog sektora uvjetima gospodarenja energijom u Europskoj uniji. Strategija razvitka energetskog sektora, kao kompleksan dokument, ima svoju energetsku, ekonomsku, zakonodavnu, organizacijsku, institucionalnu i obrazovnu dimenziju. Predložen je specifičan model hrvatskog razvitka jer ni u razvijenim zemljama ne postoji jedinstveno rješenje i nije moguće izravno preslikati niti jedno strano rješenje.

Energetskom strategijom Republike Hrvatske obuhvaćeno je razdoblje do 2030. godine. U tako dugom razdoblju, osim korištenja sadašnjih tehnologija, predviđa se i korištenje obnovljivih izvora energije, a riječ je o sljedećim programima:

- MAHE – program izgradnje malih hidroelektrana - SUNEN – program korištenja energije sunca - ENWIND – program korištenja energije vjetra - BIOEN – program korištenja energije biomase i otpada - GEOEN – program korištenja geotermalne energije

Mogućnost i dinamika provedbe zacrtanog cilja povećanja udjela obnovljivih izvora u

energetskoj bilanci ovisi o specifičnostima svakog izvora posebno, ali temeljna odrednica je ukupno značajno povećanje udjela u promatranom razdoblju, što se poklapa s općeprihvaćenim trendom u zemljama Europske unije. Bitna karakteristika ovih izvora sadržana je u činjenici da se radi o strateškim izvorima jedne zemlje, pojednostavljeno gledano neovisnim o kretanjima cijena čvrstih i tekućih goriva na svjetskom tržištu. Osim toga, takvi izvori energije pogodni su za instalaciju u ruralnim i zabačenim područjima, kao i obalnoj zoni i otocima, i kao takvi mogu znatno doprinijeti razvitku okolnog područja.

Energetski procesi koji su danas u primjeni su glavni uzročnici globalnog i lokalnog onečišćenja. Zbog toga je budući razvitak energetskog sektora u Republici Hrvatskoj potrebno temeljiti na takvoj proizvodnji i potrošnji energije koja će omogućiti pojačanu brigu za zaštitu ljudskog zdravlja te očuvanje prirode i okoliša, njegujući biološku i krajobraznu raznolikost. Ovaj koncept sadržan je u dokumentu Agenda 21 koji je prihvaćen na Konferenciji UN o razvitku i okolišu održanoj u Rio de Janeiru 1994. godine. Na spomenutoj konferenciji definirani su i osnovni ciljevi strategije zaštite okoliša zasnovane na spomenutim principima:

- usklađivanje proizvodnje, prijenosa i potrošnje energije u Republici Hrvatskoj s

principima zaštite prirode i okoliša - povećanje energetske efikasnosti i udjela obnovljivih izvora u svim gospodarskim

granama, zgradarstvu i centraliziranim toplinskim sustavima - razvitak tehnoloških, normativnih, institucionalnih, ekonomskih i pravnih temelja u cilju

smanjenja utjecaja energetskog sektora na prirodu i okoliš te međunarodna suradnja na tom području

- razvitak i održavanje znanstvenih temelja na kojima će se zasnivati briga o okolišu unutar energetskog sektora.

Ovi principi ugrađeni su u energetsku strategiju Republike Hrvatske kroz predložene zakonske, ekonomsko-financijske i fiskalne mjere te poticanje primjene tehničkih rješenja za smanjenje onečišćenja i poticanje znanstvenih istraživanja.


107

Danas su značajni energetski izvori uglavnom neobnovljivi (iscrpivi) resursi. Uz to, korištenje ovih energetskih resursa je glavni izvor onečišćenja. Projekti proizvodnje energije su uobičajeno veliki, s dugim vremenom realizacije i dugog vijeka trajanja. Međutim, višenamjenski hidroenergetski objekti potiču i podržavaju gospodarski i društveni razvoj. Potražnja električne energije u zemljama u razvoju brzo raste zbog gospodarskog razvoja i industrijalizacije. Međutim, udio električne energije u ukupno utrošenoj energiji u porastu je i u razvijenijim zemljama Zapada. Zbog toga je ispravna energetska strategija temelj planiranja budućnosti i nacionalnog razvoja. Tbog toga razvijene zemlje predlažu slijedeće mjere energetske politike zemalja u razvoju:

- poticanje razvijanja vlastitih izvora energije - reformu politike cijena energije - suradnju u području tehnologije - razvoj lokalnih energetskih strategija za lokalne potrebe

Hidroelektrane su oduvijek nositelji hrvatskog energetskog sustava. U nekim godinama

njihova proizvodnja zadovoljavala je 50 do 60% ukupne potrošnje struje u Hrvatskoj. Hidroenergetika je od osamostaljenja Hrvatske bila u znatnoj krizi. Danas, njihov novi procvat treba promatrati kao pokušaj povratka domaće industrije i znanosti u svjetski vrh. Prva hidroelektrana u Hrvatskoj, HE Jaruga na rijeci Krki kod Skradinskog buka snage 352 kilovata, puštena je u pogon 28. kolovoza 1895. godine. To je najstarija hidroelektrana u Europi i druga u svijetu, a puštena je u pogon tri dana nakon one prve na slapovima rijeke Niagare u SAD-u.

Glavnina vodnih snaga Hrvatske nalazi se na 13 većih vodotoka (slika 5.2.). Od toga su Drava, Sava, Kupa i Una vodotoci koji samo jednim svojim dijelom teku kroz Hrvatsku. Rijeka Trebišnjica nalazi se u Bosni i Hercegovini no njeno energetsko korištenje najpovoljnije je na padu prema obali Jadranskog mora koja pripada Hrvatskoj. Obzirom da je korištenje Trebišnjice na taj način i ostvareno, dio potencijala koji pripada Hrvatskoj prikazan je kao dio hrvatskog vodnog potencijala.

0

20

40

60

80

100

Drava (

hrvatsk

i dio)

Sava (

hrvatsk

i dio)

Kupa

Una (h

rvatsk

i dio)

Rječina

Mirna

Raša

Lika i G

acka

Ličanka

-Lokv

arka

Krka

Zrman

jaCeti

na

Trebišn

jica (h

rvatsk

i dio)

UKUPNO

Bruto iskoristivi hidroenergetski potencijal / TWh

Iskorišten hidroenergetski potencijal/ TWh

Iskorišten hidroenergetski potencijal / %

Slika 5.2. Hidroenergetski potencijal vodotaka u Hrvatskoj R. Goodland iz Odjela za okoliš Svjetske banke je 1996. godine podijelio energetske izvore po značajkama i veličini utjecaja na okoliš kako je prikazano u Tablici 5.3.


108

Tablica 5.3. Energetski izvori po veličini utjecaja na okoliš (Goodland, 1996, World Bank)

Unutar Međunarodne agencije za energiju (IEA – International Energy Agency) utvrđeno

je da su vodne snage, danas, najvažniji obnovljivi izvor energije, a također se radi na programu boljeg razumijevanja prednosti vodnih snaga u odnosu na okoliš i poboljšanju postupaka planiranja hidroenergetskih objekata.

S druge strane, u razvijenim zemljama Zapada, mnogo se pozornosti posvećuje porezima i drugim davanjima na potrošnju energije i ispuštanje ugljikovog dioksida. U Europskoj zajednici (EU) sastavljen je prijedlog za uvođenje poreza ekvivalentno 3 USD po barelu nafte i s planom porasta na 10 USD po barelu tijekom idućih 8 godina, i to za sva fosilna goriva koja u procesima energetskih transformacija ispuštaju ugljikov dioksid. U zemljama Europske zajednice također se puno radi na kreiranju sustava praćenja emisije “ stakleničkih plinova”, programu energetske efikasnosti (SAVE), te programu alternativne energije (ALTENER) koji sadrži aktivnosti za veće korištenje obnovljivih izvora energije. EU sufinancira 30-50% troškova inicijativa država članica za proširenje ili izgradnju infrastrukture koja koristi obnovljive izvore energije. Prema spomenutom ALTENER programu cilj je da porast udjela proizvodnje iz obnovljivih izvora u zemljama EU bude od 4% u 1991. godini na 8% u 2005. godini što predstavlja povećanje za 50%.

U svijetu su pokrenute brojne aktivnosti u korist povećanja udjela obnovljivih izvora u ukupnoj proizvodnji energije. Hrvatska slijedi te trendove, a koliko će u tome biti uspješna, ovisit će o tome u kojoj mjeri bude moguća implementacija spomenutih razvojnih programa u domaće zakonodavno i institucionalno okruženje.

Tako je u RH 2004/05. na otoku Pagu izgrađen prvi sustav od 7 vjetroelektrana, svaka kapaciteta 850 kW. Prema studiji isplativosti izgradnje ovog sustava lokacija se pokazala pogodnom, jer je prosječna snaga vjetra 6,4 m s-1, a minimalni zahtjev prosječne snage vjetra za izgradnju iznosi 5,5 m s-1. Danas su već izgrađene brojne vjetroelektrane u priobalju Dalmacije.

U svibnju 2011. u Sikirevcima je puštena u rad prva komercijalna fotonaponska elektrana s ugovorom o otkupu električne energije, a nazivne snage je 10 kW. U rujnu 2012. je puštena u probni rad najveća fotonaponska elektrana ORAHOVICA 1. FNE Orahovica 1 se nalazi na području Virovitičko‐podravske županije, u gradu Orahovici i nazivne je snage 499,925 kW. Projekt je u završnoj testnoj fazi priključenja na infrastrukturu HEP‐a. Ovo je ujedno trenutno i najveća fotonaponska elektrana u Hrvatskoj. Naznake su da će se solarna elektrana graditi u Kanfanaru u Istri, te da bi trebala početi proizvoditi električnu energiju 2013/14. godine.

Energetski izvor Obilježje 1 Energetska učinkovitost i racionalno gospodarenje energijom 2 Sunčevi - toplina 3 Sunčevi - fotonaponski 4 Vjetar Obnovljivi i održivi 5 Plima i valovi 6 Biomasa 7 Vodne snage Obnovljivi i potencijalno održivi 8 Geotermalni 9 Prirodni plin 10 Nafta Neobnovljivi i neodrživi 11 Ugljen 12 Nuklearni


109

5.3. BUKA KAO IZVOR ONEČIŠĆENJA

Jedan od najvažnijih zadataka arhitekata, građevinara, inženjera akustičara, urbanista, inženjera zaštite na radu, proizvođača i osoblja javnog zdravstva je osigurati da buka i vibracije budu u prihvatljivim granicama u okolišu, na radnom mjestu i unutar stambenog prostora. Buci se posebno poklanja pozornost na radnom mjestu jer je mnogo puta dokumentiran gubitak sluha. Definicija i svojstva zvuka

Zvuk, i shodno tome sva buka, je fizikalna brza promjena tlaka iznad i ispod atmosferskog tlaka. Pojam zvuka najčešće se definira sa kao subjektivno psihološko značenje, kod kojeg se zvuk definira kao sve ono sto se čuje ili zamjećuje sluhom. Kod objektivno-fizikalnog značenja, zvuk se definira kao fizikalna pojava titranja u nekoj elastičnoj sredini (mediju). Prema objektivno-fizikalnoj definiciji zvuk postoji i kad nema uha koje bi ga otkrilo. Subjektivno značenje zvuka je donošenje suda o akustičkoj kvaliteti i uvijek će biti donesen temeljem slušanja uhom.

Pojava zvuka se može promatrati kao promjena položaja čestica zraka koje titraju oko svog ravnotežnog položaja. Titranje čestica prenosi se od izvora titranja kroz elastičnu sredinu konačnom brzinom u obliku zvučnih valova, a prostor u kojem se širi zvučni val naziva se zvučnim poljem. Brzina kojom se zvučni val širi u zvučnom polju naziva se najčešće brzinom zvuka u sredini (mediju) zvučnog polja. Umjesto pomaka čestica mogu se promatrati i promjene gustoće zvuka. Čestice koje se pomiču imaju svoju brzinu i ubrzanje, a promjene gustoće su prema fizikalnim promjenama u elastičnim medijima neposredno vezane uz promjene tlaka. Upravo je promjena tlaka ono što uho doživljava kao zvuk.

Zvuk, i shodno tome sva buka, je brza promjena tlaka zraka iznad i ispod atmosferskog tlaka. Svi zvukovi putuju kao valovi zvučnog tlaka od titrajućeg tijela poput ljudskog grla, radioprijemnika, TV ili vibrirajućih strojeva. Zvuk koji sadrži samo jednu frekvenciju je čisti ton (slika 5.3.) koji se prikazuje sinusoidom.

Slika 5.3. Sinusni val čistog tona

Većina zvukova sadrži mnogo frekvencija. Valovi putuju od izvora zvuka u tri dimenzije. Frekvencija (titraji u sekundi) primarno određuje visinu zvuka. Amplituda zvuka je zvučni tlak. Duljina puta zvučnog vala u jednom titraju je valna duljina zvuka, odnosno razmak između dvije susjedne točke najvećeg zgušnjavanja ili razrjeđenja čestica zraka (tj. između minimuma ili maksimuma sinusoide koja predstavlja promjenu zvučnog tlaka) naziva se valna duljina i može se prikazati jednadžbom:

fc

=λ


110

gdje je: λ= valna duljina, m f = frekvencija, Hz (titraj s-1) c = brzina zvuka, m s-1 Zvuk putuje kroz plinove, kapljevine i krutine ali ne i kroz vakuum. Brzina kojom se zvuk širi kroz određeni medij ovisi o stlačivosti i gustoći medija. Brzina zvuka u zraku je oko 340 m/s. To je približna vrijednost koja ovisi o temperaturi i vlazi u zraku. Naš vlastiti glas dolazi do nas kroz koščane strukture u našoj glavi. Većina zvuka dolazi do nas kroz zrak a rjeđe kroz krutine i kapljevine.

Kako zvuk putuje kroz medij, on gubi energiju ili amplitudu dvojako: molekularnim zagrijavanjem i geometrijskim širenjem. Na primjer, zastori apsorbiraju zvuk, otpuštajući energiju u obliku topline u okolni zrak. Zrak također apsorbira zvuk ali u manjoj mjeri jer nije sasvim elastičan. Kuglasti valovi koji potiču od male kugle, koja titra u blizini, šire se u tri dimenzije. Oni gube energiju prema zakonu obrnutog kvadrata, kako prikazuje jednadžba:

24 rWIπ

=

gdje je: I = intenzitet zvuka, watt cm-2 r = udaljenost do izvora, cm W = ukupna snaga izvora, watt Za svako udvostručenje udaljenosti, intenzitet se smanjuje s faktorom 4, odnosno za 6 dB.

Promjena zvučnog tlaka može se aproksimirati sinusoidom, tako da u jednoj njenoj poluperiodi tlak poraste iznad atmosferskog, a u drugoj poluperiodi se snizi ispod njegove vrijednosti (slika 5.4.).

Slika 5.4. Uređaji svojim titranjem uzrokuju zgušnjavanje i razrjeđenje cestica zraka, što je prikazano kao promjena zvučnog tlaka koji je dodan na atmosferski tlak

Čujno frekvencijsko područje se definira od 20 do 20.000 Hz, a to su valne duljine od 17 metara do 1,7 centimetara. Ukoliko zvučni val ne naiđe ni na kakvu prepreku on će se kao kuglasti ili ravni val slobodno širiti kroz prostor. Pri tome će zvučni tlak opadati s udaljenošću od izvora i to približno s kvadratom udaljenosti. To znači da će zvučni tlak na 2 metra udaljenosti od izvora biti 4 puta niži nego na udaljenosti 1 metar, a zvučni tlak na udaljenosti od 4 metra biti ce 16 puta niži. Poznato je da udaljavanjem od izvora zvuka, zvuk kao subjektivni osjet je tiši, sve dok na nekoj udaljenosti postane uhu posve nečujan. Prirodni zvukovi, pa i glazba, složeni su i ne mogu se opisati jednostavnom promjenom zvučnog tlaka kao što je sinusoida. Međutim, složeno harmoničko titranje se može razdvojiti na konačan broj superponiranih (zbrojenih ili/i oduzetih) sinusoidalnih titranja.


111

Izvori buke i mjerenje Transport, industrija, kućanstvo, komercijalne aktivnosti i vojska su glavni izvori buke, a

doprinose i brojni kućanski aparati i oprema. Glavni pokretni zvori buke su motorna vozila, uključujući autobuse i kamione, avioni, motorkotači i vozila za snijeg (snowmobili). Konačno, buka je svaki nepoželjni zvuk bez obzira na svojstva.

Jačina zvuka mjeri se u bel (B) jedinicama. Osjetljivost na različite frekvencije je individualna pa pored ostalog ovisi i o dobi čovjeka. Ljudsko uho čuje zvukove u rasponu od 20 Hz, što iznosi 20 titraja u sekundi, do 20 kHz, iako se u područje zvuka ubraja i ultrazvuk (slika 5.5.).

zvuk (ljudsko uho) infrazvuk < 20 Hz – 16 kHz > ultrazvuk do 105 kHz > hiperzvuk

vibracije zvuk

Slika 5.5. Prikaz raspona zvuka u Hz i raspon čujnosti ljudskog uha Infrazvuk se nalazi u području ispod 20 Hz i ubraja se u vibracije, te se koristi kod mjerenja potresa i atomskih eksplozija. Tako, na primjer frekvencije više od 20 Hz ne djeluju na ljudski organizam, dok one niže od 20 Hz djeluju izravno na tijelo, a ne na uho. Rezonantna frekvencija od 4 Hz (frekvencija lubanje) izaziva potres mozga. Frekvencije od 20 Hz djeluju na kralježnicu (vibracije koje nastaju vožnjom na traktoru).

Osobito je značajno proučavati i mjeriti buku (slika 5.6.) koja nastaje na radnom mjestu, a odlikuje je kontinuiranost, tj. njeno jednoznačno trajanje. Ta buka može biti i diskontinuirana, koja je štetnija od kontinuirane.

Slika 5.6. Instrumenti za mjerenje buke i vibracije: mjerač buke (lijevo), decibelmetar (sredina), mjerač vibracije (desno)

Stupanj glasnoće izražava se u fonima, koji za frekvenciju 1 kHz odgovaraju iznosu

stupnja zračnog tlaka u decibelima (dB). Objektivno mjerenje intenziteta buke mjeri se decibelometrom, u čast izumioca telefona G. Bella, a subjektivno mjerenje intenziteta buke provodi se fonometrima. Osjetljivost ovog instrumenta približna je osjetljivosti ljudskog uha, što znači da ima nejednoliku osjetljivost za različite frekvencije. Ovisno gdje se mjeri buka (uz radno mjesto ili širi prostor) koriste se različiti filtri (A; B; C) za određeno područje glasnoće, pa tako filtar A za glasnoću do 40 fona izraženo u dB/A, filtar B za glasnoću do 70 fona izraženo u dB/B i filtar C za glasnoću do 90 fona izraženo u dB/C.


112

Jedinice koje služe pri mjerenju buke su son (jedinica glasnoće) i fon (jedinica glasnoće izražena u logaritamskoj skali). Intenzitet buke je srednja količina energije zvuka prenesena kroz jedinicu površine u određenom smjeru (Watt/cm2). Hertz (Hz ) je internacionalna jedinica za titraj u sekundi. Decibel. (dB) je logaritamska usporedba jačine tlaka zvuka (Pz) i referentnog tlaka (Pref) kako je prikazano u jednadžbi:

dB = 20 log10 (Pz) × (Pref) gdje je: Pref = 20 μPa Pz = tlak od 1 atmosfere, 98067 Pa

Bel predstavlja odnos između dviju veličina jakosti zvuka koji se u bel jedinicama

razlikuju za n = 10 log, pa je decibel jedinica bez dimenzija, jer daje samo odnos između dviju različitih veličina jakosti zvuka. Decibeli daju sliku intenzivnosti osjeta zvuka, jer slušna osjetljivost uha osim o tlaku zvuka ovisi još i o njegovoj frekvenciji.

Jedinica za valnu dužinu je nm (nanometar). Frekvencija je broj titraja u sekundi, a jedinica za frekvenciju je Hz (Hertz). Vidljiva svjetlost (ljubičasta do tamnocrvena) nalazi se u području od 400 nm do 700 nm, što odgovara frekvencijama od 1014 do 1015 Hz. Intenzitet zvuka i utjecaj na zdravlje

Uho prima zvuk od 0 do 130 fona (1 fon pri 1 kHz = 1 dB). Duže djelovanje buke jačine od 90 do 100 fona može oštetiti sluh, više od 130 fona izazvati bol i nepovratno oštećenje sluha (tablica 5.4.).

Tablica 5.4. Prikaz izvora i intenziteta zvuka

S obzirom na štetne utjecaje mogu se razlikovati četiri grupe jakosti buke: od 30 do 60

fona izaziva psihičke smetnje i djeluje razdražljivo; 65 do 90 fona djeluje na srce i želudac koji izlučuje manje želučanog soka, čovjek postaje razdražljiv, rastresen i pri radu pada koncentracija; 90 do 120 fona oštećuje sluh, uzrokuje nagluhost, a naročito ako je čovjek izvrgnut dužem djelovanju te buke; preko 120 fona uzrokuje bol i nepovratno oštećenje sluha. Metode smanjivanja buke u radnom prostoru

Pojedinac može koristiti čepiće za uha tijekom rada s motornim pilama i sličnim alatima. Na rock koncertima, neke rock grupe (Motley Crue) prodaju štitnike za uši. U industrijskim pogonima treba promjeniti dizajn proizvodnih strojeva kako bi se smanjila turbulencija zraka i

Intenzitet zvuka / dB

Izvor zvuka Oštećenje sluha

180 Raketni motor Nepovratno oštećenje 150 Polijetanje aviona Nepovratno oštećenje 130 Rok glazba, trubljenje na 1 m Progresivni gubitak sluha 100 Novinska press služba Oštećenje dužim izlaganjem

90 - 80 Motori - dizel kamioni Oštećenje dužim izlaganjem 60 Normalni razgovor 40 Prosječna dnevna soba 30 Knjižnica 20 Šuštanje lišća


113

vibracija. U naseljima boljim urbanističkim planiranjem može se izolirati ljude od bučnih željeznica, autocesta, tvornica i zračnih luka.

Program smanjivanja buke mora početi s određivanjem pravog izvora, kao i puta širenja buke. Na primjer, vrlo je važno znati da li buka potječe izravno od određenog izvora ili se prenosi preko drugih dijelova strojeva te se širi kao sekundarni izvor buke. Zatim treba točno locirati koji dio stroja stvara buku (motor, hidraulički sustav, prijenosni sustav itd.). Da bi se pronašao stvarni izvor buke, potrebno je kompleksnu buku raščlaniti na pojedinačnu i svaku od njih nezavisno ispitati. Uz pretpostavku da se izvor buke i put širenja utvrdio, moguće je provesti kontrolu ili smanjenje buke na više načina.

Dokazano je da su strukturni dijelovi strojeva glavni razlozi širenja buke ili vibracije, te je njihova pravilna izolacija neophodna za smanjivanje smetnji. Ovisno o prirodi i vrsti vibracije, pravilnom izolacijom može se buka smanjiti za nekoliko dB pa do 20 odnosno 30 dB.

Prostor u obliku telefonske govornice uz stroj može poslužiti kao barijera (djelomična pregrada) za širenje buke. Pri tome dolazi do akustičke apsorpcije buke na veliku unutarnju površinu, kao i do refleksije odnosno defleksije neželjene vanjske buke. Na ovaj način se može smanjiti buka za 5 do 15 dB. Ove vrste pregrada efikasnije su za smanjivanje buke visoke frekvencije nego niske frekvencije. Ovakve parcijalne pregrade mogu biti korisne djelatniku kada se ukupna buka na radnom mjestu sastoji od buke vlastitog stroja te buke iz drugog izvora u blizini (slika 5.7.). Iako ovakva pregrada slabo ili nikako ne štiti od buke vlastitog stroja, ipak smanjuje ukupnu buku koja se nalazi oko radnog mjesta. Mjerenja i proračuni u realnoj situaciji odredit će da li bi ovakav pristup bio koristan.

Slika 5.7. Prikaz kabine za izolaciju ( lijevo) i izvedba izolacije cjevovoda (desno)

Kod izolacije cjevovoda mogu se koristiti tanji ili deblji materijali mogu za sprječavanje širenja buke. Pri visokim frekvencijama, obični materijali koji apsorbiraju zvuk mogu smanjiti buku za 2 do 5 dB po metru. Gušći izolacijski materijali bolji su za redukciju buke pri nižim frekvencijama.

Prigušivači se postavljaju na mjestima gdje prolazi velika količina zraka kroz široke otvore između tihog i bučnog dijela. Takođe bi mogli bi biti potrebni paralelno postavljeni prigušivači. Dimenzije prigušivača mogu varirati u brojnim kombinacijama, ovisno o vrsti buke. Srednje i visoke frekvencije se lakše mogu kontrolirati nego niske frekvencije. Ventilatori i kompresori ponekad izazivaju buku unutar i izvan tvornice. Dobro konstruirani prigušivači mogu skoro uvijek smanjiti buku do prihvatljivih vrijednosti, bez ozbiljnijeg smanjivanja protoka zraka. Oni mogu smanjiti za 30 do 50 dB visoke frekvencije ili 6 do 20 dB niske frekvencije. Prigušivači mogu biti korisni i tamo gdje se neki stroj mora hladiti, pri čemu se potpuno uklanja visokofrekventno zujanje.

Kontrolni ventili se postavljaju u cjevovodima kojima se prenose plinovi, pare i kapljevine pod visokim tlakom, jer mogu biti ozbiljan izvor buke. Raspodjelom preko dva ventila umjesto jednog, moguće je riješiti problem buke, ukoliko su ventili na razmaku barem za 50 do 100 promjera cjevovoda. Bučni ventili mogu biti smješteni u većoj akustički izoliranoj metalnoj kutiji. Smanjenje buke kod spajanih cjevovoda može se provesti izoliranjem 20 do


114

50 m cjevovoda na jednu i drugu stranu od ventila. Izolacija debljine 5 do 10 cm (staklena ili mineralna vuna) s aluminijskim ili gipsanim omotačem) može smanjiti buku za 10 do 20 dB.

Zadržavanje buke u jednoj sobi ili potpuno ograđenom dijelu je uvijek praktično. To omogućava rukovaocu da radi izvan pregrađenog dijela. Ukoliko on i mora biti unutar tog dijela, tada su drugi radnici pošteđeni buke. Takve pregrade moraju imati čvrste zidove kako bi se postiglo željeno smanjenje buke, a vrata ili neophodni otvori obloženi akustičkom izolacijom.

Unutar bilo koje prostorije ili pregrađenog prostora, razina buke će biti viši nego kada se buka iz određenog izvora može slobodno širiti. Dio ovih zvukova može se kontrolirati ukoliko se na zidove postave materijali koji apsorbiraju buku. Materijali za akustičku apsorpciju se postavljaju na strop i bočne zidove. Pri tome se smanjuje buka niskih frekvencija za 3 do 6 dB, a visokih frekvencija za 5 do 10 dB.

Akustički čepići ili slušalice za uha mogu efikasno prigušiti buku, ali čovjeku je potrebno određeno vrijeme da se na njih prilagodi. Neki od radnika se nikada ne uspiju prilagoditi na ta pomagala. U tablici 5.5. su prikazane vrijednosti smanjenja buke primjenom pomagala za uha.

Tablica 5.5. Vrijednosti smanjenja buke pomagalima za uha

Frekvencija, Hz Čepići, dB Slušalice, dB

250 10 – 30 15 – 25 500 15 – 30 25 – 35

1000 15 – 30 35 – 45

2000 20 – 40 35 – 45

Na kraju ne treba zaboraviti jednu važnu stvar, a to je, ukoliko postoji nekoliko strojeva

koji proizvode buku, potrebno ih je grupirati na jedno mjesto, a ne razdvajati, jer ukupna jačina buke nije jednostavna suma svih pojedinih izvora buke. Tako na primjer, dva klima uređaja na 20 m visine proizvode jačinu buke od po 60 dB, ali te vrijednosti se ne zbrajaju 60 + 60 = 120 dB, nego je suma njihove buke 60 + 3 = 63 dB. Pravilo zbrajanja decibela potječe od osnovne definicije o decibelu i može se jednostavno utvrditi kako je prikazano u tablici 5.6.

Tablica 5.6. Pravilo zbrajanja izmjerene buke u dB pojedinih strojeva ili uređaja

Ukoliko se dvije jačine buke u dB razlikuju

Treba dodati sljedeću vrijednost dB višoj vrijednosti

0 do 1 dB 3 dB 2 do 3 dB 2 dB

4 do 8 dB 1 dB

9 ili više dB 0 dB

Ukoliko postoji više od dva različita izvora buke, postupak zbrajanja je isti, ali se

zbrajaju istovremeno samo dva izvora, nakon toga opet dva i tako redom. Npr. suma pet različitih jačina buke: 57, 63, 63, 66 i 69 dB je


115

6966636357

= 72 dB= 66

= 66= 69

Redoslijed zbrajanja uglavnom nije bitan. Npr. izmjene u redoslijedu zbrajanja u ukupnoj sumi mogu dati razliku za 1 dB, razliku koja se nalazi u granicama uobičajene računske greške. Ako promijenimo redoslijed zbrajanja gornjih vrijednosti, dobit ćemo sumu:

6663696357

= 72 dB= 70

= 70

= 68

U nekim rjeđim slučajevima, kada postoje dva čista tona jednake frekvencije, na primjer buka iz dva pretvornika, potrebne su dodatne informacije koje opisuju relativno trenutačno stanje (fazu) tih tonova, kako bi se izračunala njihova suma.

Smanjenje prometne buke Neke specifične mjere za smanjenje buke s velikih pormetnica poput autocesta uključuju

sljedeće: - ograđivanje autocesta koje porlaze kroz stambena područja - Oblikovanje zidova koji će odbiti ili apsorbirati buku (zemljani nasipi prekriveni

vegetacijom su učinkoviti) - promjene položaja autoceste kako bi se izbjegla osjetljiva područja - postavljanje ograničenja brzine na određenim dijelovima autoceste - uspostavljanje alternativnih putova za kamione - uvođenje kvalitetne izolacije stambenih zgrada, odabir dvostrukih prozora.

5.4. SVJETLOSNO ONEČIŠĆENJE

Otkrićem električne energije ubrzao se napredak čovječanstva. Komoditet i praktičnost uključivanja rasvjete dodirom na prekidač utjecao je na razvoj noćnog i poslovnog života. Blagodati ovog otkrića vidljivi su u svakodnevnom životu (razvoj elektronike, atomska energija, supravodljivost). Međutim, promjena lica našeg planeta posljedica je intenzivne uporabe rasvjete. Velika površina kopna osvijetljena je ljudskim naseljima i gradovima. Neelektrificirane su ostale samo ekonomski siromašne zemlje. U novije vrijeme traži se ravnoteža između razvoja i prirodnog načina života. Danas su ekosustavi i čovječanstvo ugroženi zbog starog i pogrešnog načina ponašanja.


116

Mjerenje rasvjete

Ukupni svjetlosni tok ili fluks (∆φ) je neka količina zračenja tijela u prostoru, a jedinica je 1 ln (lumen). Prostorni kut (∆ω) je dio površine kroz koji prolazi dio zraka odnosno fluksa. Prostorni kut je definiran kao dio površine zamišljene jedinične kugle. Svjetlosna jačina (I) – definira se kao ukupni svjetlosni tok koji prolazi kroz prostorni kut, a jedinica svjetlosne jačine je 1 cd (candela – hr. kandela).

I = ∆φ / ∆ω

Osvijetljenost (E) površine karakterizira fluks koji pada na jedinicu površine. Može se reći da osvijetljenost neke površine (∆S) ovisi o kutu pod kojim pada svjetlost na tu površinu, a opada s kvadratom udaljenosti od izvora svjetlosti. Jedinica za osvijetljenost je 1 lx (lux – hr. luks).

E = ∆φ / ∆S

E = I × ∆ω / ∆S E = I × cosα / r2

Obzirom da u prirodi ne postoji točkast izvor svjetlosti, nego su to izvori svjetlosti koji

imaju konačno velike dimenzije, potrebno je definirati veličinu koja karakterizira sjajnost takvih svjetlosnih površina. Tako je sjajnost (L) dio izračene energije svjetlosnog izvora kroz dio njegove površine, a koja dopire do mjesta promatranja. Jedinica za sjajnost je cd/m2 (kandela po metru kvadratnom).

L = ∆I / ∆S × cosα gdje je: L – sjajnost (luminacija)

∆S – dio površine svjetlosnog izvora ∆I – dio svjetlosne jačine α – kut promatranja Što je svjetlosno onečišćenje?

Svjetlosno onečišćenje je stvaranje odsjaja na noćnom nebu koje nastaje rasipanjem

umjetnog svjetla u okolnu atmosferu u kojoj se nalaze molekule plinova i lebdećih čestica. Loša kakvoća vanjske rasvjete razlog je svjetlosnom onečišćenju. Zbog takve izvedbe svjetlost se šalje u nebo umjesto da se projicira dolje. Pri tome nastaje otpadna električna energija, a poznato je da energiju treba štedjeti.

Noću iznad gradova i manjih naselja uzdižu se narančasto-bijelo-žute boje svjetlosti koju nekontrolirano i štetno prema horizontu isijavaju neekološka rasvjetna tijela (slika 5.8.). Neekološka rasvjetna tijela su sva ona kod kojih je staklena ili pleksiglas kugla izbačena izvan kućišta.

Slika 5.8. Izgled noćnog neba onečišćenog vanjskom rasvjetom


117

Životni ciklus biljnog i životinjskog svijeta, uključivo i čovjeka, prilagođen je izmjenama dana i noći. Takva izmjena temeljna je odrednica ekosustava. No, ako se takav ciklus poremeti biološke posljedice su nesagledive. Poremećaji se odražavaju i na stanje ljudskog organizma. Više od 95% Europljana danas živi u područjima gdje je prirodni ton noćnog neba posvijetljen četiri ili više puta (slika 5.9.).

Slika 5.9. Satelistski snimak noćnog neba u Europi U Hrvatskoj u svjetlosnom onečišćenju prednjače gradovi Zagreb i Rijeka, te splitsko

područje i istočna Slavonija. U Istri noćno nebo rasvjetljavaju Pula, Poreč, Umag, Rovinj i Novigrad. Širi se i svjetlosni prsten oko Pazina ali i drugih gradova u unutrašnjosti, te na čvorištima autoceste istarskog ipsilona.Velike su posljedice svjetlosnog onečišćenja i za astronomiju. Danas u Hrvatskoj više nema pogodnih mjesta za astronomska promatranja izuzev nekih otoka i nenaseljenih područja Like i Gorskog kotara. Zvjezdano nebo od horizonta do zenita može se pratiti na samo nekoliko lokacija u Europi. Kako smanjiti svjetlosno onečišćenje

Za vanjsku noćnu rasvjetu objekata treba koristiti infracrveni senzor koji pali rasvjetu kada netko prilazi zgradi. Prednost pri odabiru rasvjetnog tijela dati natrijevim žaruljama pod malim tlakom jer su manje štetne. One emitiraju uski snop vidljivog spektra, dok ostatak spektra ostaje čist. Ove žarulje troše 5 puta manje energije od žarulja koje sjaje intenzivno uz emisiju topline, 2,2 puta manje nego živine žarulje te 1,5 puta manje nego natrijeve žarulje pod visokim tlakom i fluorescentne žarulje.

Prednosti i koristi primjene žarulja nove generacije su smanjenje potrošnje energije, te shodno tome i energenata, smanjenje emisije CO2, NOx, SO2 i lebdećih čestica; zaštita noćnog okoliša i smanjenje poremećaja u prirodnim staništima (životinje, biljke i ekološki procesi). Avioni i brodovi nisu izloženi bljesku, sprečava se uznemiravanje susjedstva, profesionalci i amateri se mogu baviti astronomijom, i na kraju zaštita tamnog neba u skladu je s UNESCO-ovom deklaracijom (izvorno) o pravima budućih generacija:

"Future generations have the right to an undamaged and unpolluted Earth, including the right to a clean sky."

5.5. RADIOAKTIVNO ZRAČENJE KAO IZVOR ONEČIŠĆENJA

Zračenje je energija koja prolazi kroz tvar ili kroz vakuum. Ionizacijsko zračenje nastaje u prisutnosti radioaktivnog materijala u okolišu, aparata koji proizvode ionizacijske zrake i pri proizvodnji radioaktivnih tvari u nuklearnim reaktorima. Ionizacijsko zračenje je značajno za medicinsku dijagnostiku i terapiju, upravljanje industrijskim procesima i za istraživanja.


118

Ionizacijsko zračenje negativno utječe na zdravlje ljudi, životinja i biljaka, izaziva genetske promjene i oštećenje tkiva.

Ionizacijsko zračenje nastaje od radioaktivnih materijala koji su prisutni u okolišu, X-zraka iz strojeva i aparata, te od radioaktivnih tvari nastalih u nuklearnim reaktorima. Ovo zračenje se može kvanitificirati detektiranjem i mjerenjem nastale količine iona kada ioni prenesu svoju energiju na različite materijale osjetljive na zračenje poput fotografskog filma i fluorescentnih materijala. U nuklearne djelatnosti se ubrajaju: a) korištenje nuklearnog materijala u energetske svrhe (reaktor snage u nuklearnoj elektrani, nuklearnoj toplani i nuklearnoj propulziji), b) korištenje nuklearnog materijala u istraživačke svrhe (istraživački reaktor), c) rudarenje nuklearnog materijala i prerada rude (rudnik urana i torija s postrojenjem za preradu rude), d) proizvodnja i obogaćivanje nuklearnog goriva, e) prerada istrošenog goriva podrijetlom iz reaktora, f) skladištenje niskoradioaktivnog i srednjeradioaktivnog otpada podrijetlom iz reaktora u količinama koje zahtijevaju primjenu mjera nuklearne sigurnosti i zaštite, g) odlaganje niskoradioaktivnog i srednjeradioaktivnog otpada podrijetlom iz reaktora u količinama koje zahtijevaju primjenu mjera nuklearne sigurnosti i zaštite, h) skladištenje istrošenog goriva i drugog visokoradioaktivnog otpada podrijetlom iz reaktora, i) odlaganje istrošenog goriva i drugog visokoradioaktivnog otpada podrijetlom iz reaktora, j) skladištenje nuklearnog materijala kategorija I. i II. k) odlaganje nuklearnog materijala kategorija I., II. i III. Mjerenje radijacije, utjecaj na organizam i zaštita

Zbog potencijalnog utjecaja na zdravlje, neophodno je izmjeriti izloženost zračenju. Jedan od načina provedbe mjerenja, za slučaj nekog zračenja, uključuje procjenu količine proizvedene ionizacije u različitim vrstama tvari. Na primjer u ionizacijskoj komori, standardni instrument dizajniran u te svrhe, mjeri količinu pozitivnih ili negativnih iona proizvedenih zračenjem u definiranom volumenu i masi zraka. Tako prva jedinica izloženosti mjeri ionizaciju zraka s pomoću X-zraka i gama-zraka, a tradicionalna jedinica je Roentgen (R) ili u SI sustavu coulomb po kilogramu zraka. Ove jedinice nisu odgovarajuće za druge vrste zračenja poput alfa, beta ili neutronskog zračenja u zraku ili apsorbiranja energije u drugim materijalima. Druga značajna jedinica koja mjeri apsorbiranu energiju ili apsorbiranu dozu je jedinica rad (radiation absorbed dose) i SI jedinica gray (grej) (Gy). 1 Gy predstavlja 1J (džul) energije koju je ionizirajuće zračenje predalo 1 kilogramu (kg) tvari. Jedinica rad se koristila prije uvođenja SI sustava i pri tome je 1 Gy = 100 rada. Apsorbirana doza se može mjeriti na više načina, no u praksi se ne mjeri, nego se podatak o apsorbiranoj dozi dobiva poznavanjem ili određivanjem ekspozicije. Jedinice rem i Sievert (Sv) iz SI sustava su izvedene jedinice koje predstavljaju ekvivalentnu dozu ionizirajućeg zračenja. Jedinica Sv nosi naziv po švedskom fizičaru i liječniku Rolfu Sievertu, koji je poznat po svojim radovima na mjerenju doziranja radijacije zajedno s istraživanjem o biološkim učincima radioaktivnosti i zaštitu od zračenja.

Ljudi kao i ostale vrste trajno su izložene zračenju male razine iz nekoliko prirodnih izvora (zrake iz svemira 8%, kamenje i tlo 8%, unutar ljuskog tijela 11%, radon 55% - plin nastaje radioaktivnim raspadom urana u Zemljinoj kori). Antropološki izvori zračenja su x-zrake 11% (medicina), nuklearna medicina 4%, potrošački proizvodi 3% i ostalo <1% (profesionalno, padaline, ciklus nuklearnog goriva).


119

Ionizacijsko zračenje oštećuje DNK, genetski materijal organizma. Promjene u DNK poznate su kao mutacije. Kada mutacije nastaju u reproduktivnim organima, promjene su vidljive u sljedećim generacijama, a posljedice mogu biti višestruke: prirođene deformacije, mentalna zaostalost, genetske bolesti poput nastajanja onkogena, gena koji izaziva karcinom. Izloženost određenim izvorima zračenja i doze koje ljudski organizam može primiti prikazano je u tablici 5.7.

Tablica 5.7. Izloženost izvorima zračenja i doze

Izvor Doza

Zrake iz svemira 30 -100 mrem/god. Radioaktivne tvari iz okoliša u vodi, zraku i tlu 36 -110 mrem/god. Sustavi pregleda prtljage na aerodromima 2,1 mrem/god. Zračenje u zatvorenom prostoru, radon u zraku 200 – 2400 mrem/god. Kuhanje i grijanje na zemnom plinu 5 i 22 mrem/god. Radioluminiscentni satovi i ure 40 - 104 mrem/god. X-zračenje, medicinsko i zubno 20 – 500 mrem/god. Zgrade od kamena, cigala i betona 8 – 13 mrem/god. Pušači cigareta 8.000-16.000 mrem/god.

Ljudi i oprema se mogu zaštiti od štetnog zračenja pohranjivanjem i izoliranjem izvora

zračenja, držanjem na najvećoj mogućoj udaljenosti, smanjivanjem vremena izlaganja zračenju, korištenjem olovnog štita, betona ili drugih odgovarajućih gustih materijala. Odlaganje radioaktivnog otpada Radioaktivni otpad je podijeljen u nisko i visoko radioaktivni otpad. U prvu grupu se ubrajaju krutine, kapljevine ili plinovi koji ispuštaju malu količinu ionizacijskog zračenja (nuklearne elektrane, istraživački instituti, bolnice i industrija). Tu se ubrajaju i ozračeni stakleni pribor, papir i materijali. Oni se moraju bezopasno pohraniti. Međutim, sve ovisi o zakonskim propisima pojedine zemlje. Tako u SAD postoji 800 lokacija za zbrinjavanje ove vrste otpada. U drugu grupu se ubrajaju one tvari koje inicijalno ispuštaju veliku količinu ionizacijskog zračenja (gorivi štapići u elektrani, rashladni fluidi te plinovi i zrak u reaktoru, proizvodnja nuklearnog oružja). Definitivno, odlaganje ove vrste nuklearnog otpada je jedan od najvećih problema današnjice. Mnogi znanstvenici predlažu odlaganje u stabilne kamene formacije u većim dubinama. Pri tome one moraju biti geološki stabilne, bez podzemnih voda i udaljena od naseljenih mjesta. Drugi prijedlog je pohranjivanje u dubine oceana ispod ledenjaka na Antarktici. Međutim, međunarodna zajednica se protivi tom rješenju, jer se dugoročno može ugroziti morski živi svijet. Zato se sve više prihvaća prvi prijedlog.

U Europi samo Njemačka ima trajno skladište radioaktivnog otpada. U SAD postoji 80 privremenih skladišta u kojima se skladišti visokoradioaktivni otpad. Sada se razmatra izgradnja trajnog skladišta u Yucca Mountain, 130 km sjeverozapadno od Las Vegasa. U R Hrvatskoj se još uvijek traži najpovoljnija lokacija za odlaganje dijela nuklearnog otpada iz nuklearne elektrane Krško.

Jako radioaktivni tekući otpad se teško može kontrolirati pa ga se prije trajnog odlaganja treba prevesti u krutinu. U Njemačkoj se ova vrst otpada odlaže u valjke izrađene od bornog stakla, koji apsorbira neutrone što sprječava eksplozija valjaka. Takvi valjci se odlažu u napuštene rudnike soli, a u Francuskoj u skladištima izgrađenim na površini.


120

Zatvaranje nuklearnih elektrana Nuklearne elektrane mogu biti u funkciji 25 do 40 godina. Nakon toga njihov radni vijek prestaje. Zbog velike opasnosti od mogućih nesreća, njih se ne smije napustiti i zaboraviti na njih, nego ih treba propisno zatvoriti. To se provodi na tri načina:

1. Uskladištenje – je najjednostavniji postupak. Organizira se trajna čuvarska služba daljnjih 50 do 100 godina. Tijekom tog vremena neki se radioaktivni materijali raspadnu. Nakon tog vremena jednostavnije se može rastaviti elektrana. Međutim slučajna istjecanja iz elektrane tijekom predviđenog vremena skladištenja ipak predstavljaju određenu opasnost.

2. Cementiranje – cijela elektrana se zalije betonom. Ovakva grobnica bi trebala ostati netaknuta 1000 godina. Međutim, iskustva iz Černobila pokazuju da je sarkofag počeo pucati već nakon nekoliko godina. Pri tome kroz te pukotine mogu istjecati radioaktivne tvari. Upitno je hoće li buduće generacije kontrolirati i održavati ove „nadgrobne spomenike“.

3. Rastavljanje – odmah nakon zatvaranja elektrane. Radnici tijekom ovog postupka moraju nositi zaštitna odijela i maske. Neka mjesta u pogonu su još „prevruća“ pa zato treba razmotriti primjena robotike u rastavljanju tih dijelova. Nakon što se rastavi elektrana u manje dijelove, oni se pohranjuju u za to predviđena trajna skladišta.

U svijetu je bilo do 1995. izvan uporabe 84 elektrana, u 2000-toj godini daljnjih 98. U 21.

stoljeću dolazi na naplatu sigurno pohranjivanje tih zatvorenih nuklearnih elektrana. Tako je npr. 1991. godine zatvaranje reaktora u Massachusettsu iznosilo oko 370 milijuna dolara, dok je izgradnja istog 1960.g iznosila 186 milijuna dolara (preračunato u vrijednost dolara u 1991. godini). Literatura uz Poglavlje 5:

1. Beraković B., Mahmutović Z., Hidroelektrane i održivi razvoj, Međunarodna konferencija Održivo gospodarsko korištenje nizinskih rijeka i zaštita prirode i okoliša, Zagreb, 1998.

2. BCPC, The British Crop Protection Council, The pesticide Manual (Incorporating the Agrochemicals Handbook) a world compendium, 15th edition, Tomlin C. (Ed.), Datix International, Bungay, 2009.

3. Breastrup C.B., Vikterlof K.J., Manual on radiation Protection in Hospitals and General Practice, WHO, Geneva, 1994.

4. Burns W., Noise and Man, J.B. Lippincott, Philadelphia, 1973. 5. Carson R., Silent spring, Houghton Mifflin, Boston, 1962. 6. Colin J.L. Taylor C.J.L., The effects of biological fouling control at coastal and estuarine power

stations, Marine Pollution Bulletin 53 (2006) 30–48 7. Cothern C.R., Smith J.E. (eds.) Environmental radon, Plenum Press, New York, 1987. 8. Elektroprojekt, Katastar malih hidroelektrana u Hrvatskoj-II.A faza, Zagreb, 1993. 9. Energetski institut “Hrvoje Požar”, Program izgradnje malih hidroelektrana – prethodni rezultati i

buduće aktivnosti, Zagreb, 1998. 10. Energetski institut “Hrvoje Požar”, Razvitak elektroenergetskog sustava Republike Hrvatske do 2030.

godine, Zagreb, 1998. 11. Fernández Torres M.J., Beviá F.R.,Chlorine use reduction in nuclear or conventional power plants: a

combined cooling-and-stripping tower for coastal power plants, Journal of Cleaner Production, 26(2012)1-8.

12. Masschelein W.J., Management of radioactive discharges of nuclear power plants into the aquatic environment, u (Horan N., Ed..) Environmental waste management, John Wiley & Sons, Chichester, 1996.

13. Ministarstvo graditeljstva i zaštite okoliša, Ministarstvo gospodarstva, Urbanistički institut Hrvatske, Prostorno planerske podloge za ocjenu poteza vodotoka za korištenje i lociranje malih hidroelektrana u Republici Hrvatskoj, Zagreb, 1995.

14. Laughton M.A. Warne D.J. (Eds.), Electrical enginner's reference book, 16th edition, Elsevier Science, Oxford, 2003.

15. Miller B.G. Clean coal Engineering technology, Chapter: Emissons control strategies for power plants, Butterworth-Heinemann, Burlington, 2010.


121

16. Rytoma T., Ten years after Chernobyl, Ann. Med. 28(1996) 83-87. 17. Salvato A., Nemerow N.L., Agardy F.J., Environmental engineering 5th Ed., John Wiley &Sons, Inc.,

New Jersey, 2003. 18. Say N.P., Lignite-fired thermal power plants and SO2 pollution in Turkey, Energy Policy 34 (2006)

2690–2701. 19. Smith E.H., Kennedy G.G., History of Pesticides, in Pimentel, D. (Ed.), Encyclopedia of Pest

Management, Informa Taylor & Francis Group, London, 2002. 20. Solomon K.R., Ecotoxicological risk assessment of pesticides in the environment, in Krieger R.(Ed.)

Hanbook of pesticide toxicology,3rd ed., Academic Press, London 2010. 21. US Nuclear regulatory Commission, Reactor Concepts manual, NRC, Washington, DC, 2000. 22. Ware G., Whitacre D., The pesticide book, 6th edition, MeisterPro Information Resources, Willoughby,

Ohio 2004. 23. Želježić D., Perković P., Uporaba pesticida i postojeće pravne odredbe za njezinu regulaciju, Sgurnost

53 (2) (2011)141 – 150. Pojmovnik uz 5. poglavlje: 5.1. Problem prekomjerne uporabe pesticida Pesticidi: proizvodi kemijskog ili biološkog podrijetla koji su namijenjeni zaštiti ekonomski značajnih biljaka i životinja. Pesticidi su selektivna kemijska sredstva za uništavanje biljnih i životinjskih štetnosti. Ostatci pesticida: to su ostatci, uključujući aktivne tvari, njihove metabolite i/ili produkte razgradnje ili produkte reakcije aktivnih tvari koja se trenutno koriste ili su se prije koristili u sredstvima za zaštitu bilja u skladu sa Zakonom o sredstvima za zaštitu bilja. 5.2. Toplinsko onečišćenje Biogorivo: tekuće ili plinovito gorivo dobiveno iz biomase. Biomasa: biorazgradivi dio proizvoda, ostataka i otpadaka od poljoprivrede (uključivo s biljnim i životinjskim tvarima), šumarstva i drvne industrije, kao i biorazgradivi dijelovi komunalnog i industrijskog otpada čije je energetsko korištenje dopušteno. Energija: električna energija, toplinska energija, plin, biogorivo, nafta i naftni derivati. Kogeneracija: istodobna proizvodnja električne i toplinske energije u jedinstvenom procesu. Obnovljivi izvori energije: izvori energije koji su sačuvani u prirodi i obnavljaju se u cijelosti ili djelomično, posebno energija vodotoka, vjetra, neakumulirana Sunčeva energija, biogorivo, biomasa, bioplin, geotermalna energija, energija valova, plime i oseke, biomase, plina iz deponija, plina iz postrojenja za preradu otpadnih voda. 5.3. Buka kao izvor onečišćenja Buka: neželjeni zvuk. Može biti neželjeni zbog različitih razloga poput izazivanja gubitka sluha, smetnje u komunikaciji, izazivanje gubitka sna, negativnog utjecaja na ljudsku fiziologiju ili zbog jednostavne smetnje. Onečišćenje bukom: stanje u kojem buka ima karakteristike i vrijeme trajanja koje štete ljudskom zdravlju i dobrobiti ili smetaju ugodnom uživanju života i posjeda u područjima koja su izložena buci. Okolišna buka: ukupna buka u danim uvjetima ili u okolišu. Nivo buke: izmjereni zvučni tlak u dBA primjenom odgovarajuće vrste zvukomjera. 5.4. Svjetlosno onečišćenje Svjetlosno onečišćenje okoliša: emisija svjetlosti iz umjetnih izvora svjetlosti koja štetno djeluje na ljudsko zdravlje i uzrokuje osjećaj bliještanja, ugrožava sigurnost u prometu zbog bliještanja, zbog neposrednog ili posrednog zračenja svjetlosti prema nebu ometa život i/ili seobu ptica, šišmiša, kukaca i drugih životinja te remeti rast biljaka, ugrožava prirodnu ravnotežu na zaštićenim područjima, ometa profesionalno i/ili amatersko astronomsko promatranje neba ili zračenjem svjetlosti prema nebu nepotrebno troši električnu energiju te narušava sliku noćnog krajobraza. Svjetlo: elektromagnetsko zračenje u (čovjeku) vidljivom dijelu spektra te u ultraljubičastom i infracrvenom području. Bliještanje: fiziološko smanjenje sposobnosti ljudskog vida zbog rasipanja svjetlosti u staklastom tijelu oka ili neugodan, psihološki osjećaj prouzrokovan zbog čestog, nehotičnog gledanja u izvor svjetlosti, a uzrokuje ga razlika između jačine svjetlosti izvora i svjetlosti okolice. Svjetlina rasvijetljene površine: odnos između svjetlosne jakosti rasvijetljene površine i projekcije te površine na smjer zračenja, a izražava se u cd/m2. Jakost svjetla: snaga zračenja koju emitira izvor svjetla u određenom smjeru. Izražava se u kandelama [cd]. Svjetlosni tok: količina svjetla koje je emitirano iz izvora i prihvaćeno promatranom površinom objekta. Izražava se u lumenima [lm].


122

Rasvijetljenost: mjera za količinu svjetlosnog toka koja pada na jediničnu površinu. Izražava se u luksima [lx]. Rasvijetljenost neba: podrazumijeva rasvijetljenost noćnog neba koja nastaje zbog raspršenja vidljivog i nevidljivog svjetla (ultraljubičastog i infracrvenog svjetla) prirodnog ili umjetnog podrijetla na sastavnicama okoliša i atmosfere. 5.5. Radioaktivno zračenje kao izvor onečišćenja Efektivna doza: proračunom modificirana apsorbirana doza kojom se izražava rizik izlaganja ionizirajućem zračenju uzimajući u obzir različitu biološku učinkovitost različitih vrsta ionizirajućeg zračenja i različitu osjetljivost tkiva i organa ljudskog tijela s obzirom na ionizirajuće zračenje. Fizikalna jedinica kojom se izražava efektivna doza jest jedan sivert (Sv). Ionizirajuće zračenje: elektromagnetsko i čestično zračenje čijim prolazom u tvari izravno ili neizravno nastaju parovi pozitivno i negativno električki nabijenih čestica-iona. Istrošeno nuklearno gorivo: nuklearno gorivo koje je bilo ozračeno u reaktorskoj jezgri i iz nje je trajno uklonjeno. Izvor ionizirajućeg zračenja: svaki uređaj, postrojenje ili tvar koja proizvodi ili odašilje ionizirajuće zračenje, uključivo i nuklearni materijal. Odlaganje radioaktivnog otpada i iskorištenih zatvorenih radioaktivnih izvora: djelatnost kontroliranog, trajnog smještaja radioaktivnog otpada i iskorištenih zatvorenih radioaktivnih izvora u građevinu namijenjenu odlaganju bez namjere d a se taj radioaktivni otpad i iskorišteni zatvoreni radioaktivni izvori ponovno uključe u bilo koju djelatnost s radioaktivnim tvarima.

zaštita okoliša fkit

Documents