BC03-Chemie a technologie vody M01-Chemie přírodních a pitných vod

stavení mají fototrofní organizmy (rostliny), schopné syntetizovat v
p
Ă­tomnosti chlorofylu sms CO2 a H2O na glukĂłzu (asimilace), p
iemĹľ ener-
gii k tomu pot
ebnou získávají ze svtelného zá
enĂ­. P
itom produkujĂ­ kyslĂ­k. V
nkterých povrchových vodách, obsahujících vysoké koncentrace
as, mĹľe
vést produkce O2 i k silnému p
esycenĂ­ tohoto prost
edĂ­ kyslĂ­kem. Energii
pot
ebnou k syntéze biomasy získávají uvedené organizmy z oxidaního roz-
kladu glukosy (disimilace). P
itom spot
ebují i ást kyslíku z asimilaního pro-
cesu. Velká ást produkované glukózy je využita k syntéze zásobních látek a
podprné hmoty (celulóza), a proto je bilance kyslíku v metabolizmu rostlin
pozitivní, což má zásadní význam pro udržení života na Zemi tch organizm,
které kyslík spot
ebovávají. Rovnice fotosyntézy je uvedena v Tab.5.2.
Živoichové získávají energii také oxidaním rozkladem organické hmoty p-
sobením molekulárního kyslíku. Organickou hmotu p
ijĂ­majĂ­ jako rostlinnou a
živoišnou potravu. Odum
elá nebo lidskou inností odpadající (nap
. p
i zpra-
cování potravin a rzné výrob) organická hmota rostlinného i živoišného
pvodu, vetn produkt metabolizmu živoich (i lidské populace), je roz-
kládána mikroorganizmy. V anaerobním, bezkyslíkatém prost
edĂ­ jsou kone-
nými produkty rozkladu organické hmoty metan a CO2, v aerobním prost
edĂ­
CO2 a H2O. Metan mže být metabolizován speciální skupinou metanových
bakteriĂ­, p
íp. spálen za produkce CO2. Pokud však unikne do ovzduší, je pro
tyto procesy jen omezen dostupnĂ˝. Oxid uhliitĂ˝ je vracen do kolobhu asi-
spalování
metanové
bakterie
zbytky tl a produkty
metabolizmu
organická hmota
Ĺľivoich
organická hmota
rostlin
rostlinné
zbytky
fotosyntéza
disimilace
asimilace
Corg CH4+ CO2
CO2 + H2O
atmosféra horninové
prost
edĂ­
anaerobnĂ­ bakterie
aerobnĂ­
bakterie
Biochemické procesy ve vodách
- 21 (42) -

milaní syntézou rostlin. Varujícím úkazem je však jeho nadprodukce spalnými
procesy, která není pln kompenzována spot
ebou fotosyntetizujĂ­cĂ­mi organiz-
my.














Obr.5.2: Kolob
h dusĂ­ku

Dusík je obsažen v organické hmot všech živých tvor. Organická hmota od-
um
elých jedinc nebo produkt jejich zpracování i produkt metabolizmu
živoich a lovka je rozkládána mikroorganizmy, p
i emĹľ dusĂ­k je uvolo-
ván ve form amoniaku, a probíhá dj v aerobním nebo anaerobním prost
edĂ­.
V aerobnĂ­m prost
ení je amoniak oxidován nitrifikaními bakteriemi na dusita-
ny a dále na dusinany. Naopak procesy denitrifikaními jsou v anoxických
podmínkách redukovány dusinany na dusitany a tyto na elementární dusík a
oxid dusný, malá ást mže p
echázet na amoniak. Elementární dusík jsou
schopny syntetizovat do bunné hmoty a tím fixovat mikroorganizmy, žijící v
symbiĂłze na ko
enovém systému motýlokvtých rostlin, ale i nkteré sinice
rodu Microcystis. Elektrickými výboji a ve spalovacích motorech je dusík oxi-
dován na oxidy dusíku, které dávají ve vodném prost
edĂ­ kyselinu dusinou.
Amoniak a dusinany jsou p
ijímány rostlinami ke stavb bunné hmoty. Tuto
schopnost mají i mikroorganizmy, kdežto živoichové p
ijímají dusík vázaný v
organických sloueninách, obsažených v rostlinné nebo živoišné potrav.
Mikrobiologické a biologické procesy probíhající v p
írodních vodách tvo
Ă­
základ tzv. samoištní, jehož výsledkem je p
edevším rozklad organických
látek až na jednoduché anorganické sloueniny (mineralizace). V p
Ă­rodnĂ­ch
vodách je ovšem do jisté míry snahou, aby mineralizaními procesy byla tato
ást kolobhu látek ukonena nebo alespo omezena, nebo syntéza organické
hmoty fotolitotrofními organizmy je zdrojem sekundárního zneistní. Výjim-
kou jsou produkní rybochovné vody. Také v mo
ích a oceánech nemže být
snahou finální mineralizace organických látek, nebo fotosyntézou produko-
bakterie
fixace dusíku atmosférické
výboje
denitrifikace ‹
organická hmota
rostlin
organická hmota
Ĺľivoich
rostlinné zbytky zbytky tl a pro-
dukty metaboli-
zmu
Norg N-NH3 N-NO2 N-NO3
N2
nitrifikace fi
Modul 1 – Chemie p
írodních a pitných vod
- 22 (42) -

vaná organická hmota je poátkem biologického produkního
etzce v tomto
prost
edí, který je významným zdrojem výživy lidstva. Dležité je vždy zacho-
vání p
irozené rovnováhy, ohrožované lidskou inností.
5.1 Autotest
1. Jak se nazývají organizmy, které využívají slunení záení jako zdroj energie
a minerální látky jako zdroj živin?
a) takové organizmy neexistují
b) fotolitotrofnĂ­
c) fototrofnĂ­
d) chemolitotrofnĂ­
2. Co jsou fakultativn
anaerobnĂ­ bakterie?
a) bakterie ĹľijĂ­cĂ­ v aerobnĂ­m prost
edí, schopné p
i vyerpání kyslíku z
prost
edĂ­ zmnit metabolizmus na anaerobnĂ­
b) anaerobní bakterie vykultivované na VUT FAST
c) anaerobní bakterie tolerující nízké koncentrace kyslíku
d) striktn anaerobnĂ­ bakterie
5.2 ShrnutĂ­
V p
írod probíhá kolobh látek, jehož souástí jsou procesy asimilaní a disi-
milanĂ­. Podle zdroje energie pot
ebné k asimilaním procesm dlíme organi-
zmy na chemotrofní a fototrofní. Podle zdroje živin, zejména uhlíku, rozdlu-
jeme organizmy na organotrofní a lithotrofní. Podle základního metabolizmu se
organizmy dlĂ­ na aerobnĂ­ a anaerobnĂ­. V p
írod má nejvtší význam kolobh
uhlĂ­ku a dusĂ­ku.

- 23 (42) -

Tab.5.3: Pehled nejdleĹľit
jších biochemických proces
Proces Reakce Prost
edĂ­ Organizmus
ChemoorganotrofnĂ­ organizmy
aerobní rozklad organických
látek
org.látka + O
2
fi CO
2
+ H
2
O + NH
3

aerobnĂ­ aerobnĂ­ a fakultativn anaerobnĂ­ bakterie, hou-
by, živoichové
denitrifikace
org.látka + NO
3
-
fi NO
2
-
+CO
2
+ H
2
O
org.látka + NO
2
-
fi N
2
+ N
2
O
anoxické fakultativn anaerobní bakterie
redukce SO
4
2-

org.látka + SO
4
2-
fi H
2
S
anaerobnĂ­ striktn anaerobnĂ­ bakterie
p
edmetanizaní fáze anaerob-
nĂ­ho rozkladu org.hmoty
složité org.látky fi kys.octová, H
2
, (metanol,
kys.mravenĂ­) + NH
3

anaerobnĂ­ fakultativn a striktn anaerobnĂ­ bakterie, kva-
sinky
methanogeneze
CH
3
COOH fi CH
4
+ CO
2
CH
3
OH fi CH
4
+ CO
2

HCOOH fi CH
4
+ CO
2

H
2
+ CO
2
fi CH
4

anaerobnĂ­ striktn anaerobnĂ­, methanogennĂ­ bakterie
ChemolithotrofnĂ­ organizmy
nitrifikace
NH
3
+ O
2
fi NO
2
-

NO
2
-
+ O
2
fi NO
3
-

aerobnĂ­ nitrifikanĂ­ (aerobnĂ­) bakterie
oxidace sulfid
S
2-
fi SO
4
2-

aerobní sirné bakterie (Beggiatoa, Chromatium)
FotolithotrofnĂ­ organizmy
fotosyntéza
asimilace
disimilace

6 CO
2
+ 6 H
2
O + energie fi C
6
H
12
O
6
+

6 O
2
,

C
6
H
12
O
6
+ 6 O
2
fi 6 CO
2
+ 6 H
2
O + energie
rostliny, sinice
Modul 1 – Chemie p
írodních a pitných vod
- 24 (42) -

6 Kvalita pĂ­rodnĂ­ch vod
Kvalita vody se posuzuje podle úelu, ke kterému je použita, p
Ă­p. podle funk-
ce, kterou plnĂ­, nap
. jako nedílná složka životního prost
edĂ­.
6.1 Srážková voda
Srážková voda se p
i prchodu atmosférou obohacuje látkami v ní obsaženými
v kapalné, pevné i plynné fázi. Stálou souástí vzduchu je CO2, který bývá ob-
sažen ve srážkových vodách v koncentracích 0,1 až 0,3 mmol.l-1 a znan zvy-
šuje jejich agresivní úinek na horninové prost
edĂ­. Vlivem antropogennĂ­ in-
nosti, zejména vlivem exhalací, vznikajících spalováním fosilních paliv, jsou
srážkové vody obohacovány vedle CO2 i SO2. Ze spalovacích motor i jinou
lidskou inností unikají do ovzduší oxidy dusíku - sumárn NOx. Uvedené
sloueniny jsou v kontaminovaných oblastech p
íinou tzv. kyselých deš,
obsahujĂ­cĂ­ch kyselinu sĂ­rovou, p
Ă­p. dusinou a zpsobujĂ­cĂ­ch pokles pH aĹľ k
hodnotám kolem 1 až 2.
6.2 PodzemnĂ­ voda
Kvalita podzemnĂ­ vody je p
edevším výsledkem geochemických proces, pro-
bíhajících v pomrn dlouhém asovém horizontu. Nekontaminované podzem-
ní vody obsahují jen velice malé koncentrace organických látek, ale pomrn
vtší množství anorganických solí, které do nich p
echázejí p
i jejich styku s
geologickým podložím. Organické látky v povrchových vodách, které jsou
zdrojem vod podzemnĂ­ch, jsou p
i prchodu pdním a horninovým prost
edĂ­m
za úasti mikroorganizm mineralizovány. P
emnám podléhají v tomto proce-
su i nkteré látky anorganické, nap
. amoniak je oxidován na dusinany. Jiné
mohou být zachyceny v pdním sorpním komplexu, nap
. fosforenany, tžké
kovy aj. Podzemní vody jsou vody bezkyslíkaté, v nkterých p
Ă­padech se zvĂ˝-
šenými koncentracemi volné kyseliny uhliité, železa a manganu, které p
i po-
užití vody k pitnými úelm musí být odstranny.
Z rozpuštných anorganických slouenin p
evažují soli sodíku, draslíku, váp-
nĂ­ku a ho
Ă­ku, tvo
ící kationty Na+, K+, Ca2+, Mg2+, které jsou v iontové rov-
nováze s anionty HCO3- (hydrogenuhliitany), Cl- (chloridy), SO42- (sírany) a
vlivem zemdlské innosti se také vyskytujícími NO3- (dusinany). Pomr
jednotlivých kationt a aniont bývá u podzemních vod rzný a podle p
evaĹľu-
jícího výskytu se rozlišují rzné typy vod, nap
. typ HCO3- - Ca2+ - Mg2+ nebo
SO42- - Ca2+ - Mg2+ atd. Jestliže obsah rozpuštných anorganických (minerál-
ních) látek, nebo koncentrace CO2 p
ekroí 1000 mg.l-1, nazývají se vodami
minerálními. U nkterých typ podzemních vod jsou obsaženy zvýšené kon-
centrace Ĺľeleza, manganu a k
emiitan.
Prchodem vody horninovým prost
edím s obsahem sulfid, které jsou s vý-
jimkou sulfid alkalických kov a kov alkalických zemin vesms málo roz-
pustné, se v ní, zvlášt pokud je kyselého charakteru, ásten rozpouštjí, p
i
emž jsou v rovnováze se sulfanem H2S, který dodává vod charakteristický
Kvalita p
Ă­rodnĂ­ch vod
- 25 (42) -

pach (po zkažených vejcích), známý z nkterých minerálních pramen. Rov-
nováha H2S - S2- je urena hodnotou pH.
Tam, kde se dostávají sulfidické rudy do kontaktu se vzdušným kyslíkem, do-
chází k jejich oxidaci za vzniku síran rozpustných ve vod, a k jejich souasné
hydrolýze. Proto tyto dlní vody obsahují stovky mg.l-1 tžkých kov (Fe, Zn,
Mn aj.) a volnou H2SO4, sniĹľujĂ­cĂ­ jejich pH na hodnoty i pod 3,0.
6.3 Povrchová voda
Legislativou (Na
ízení vlády R . 61/2003 Sb.) je stanovena koncentrace lá-
tek v povrchových vodách, která by nemla být vypouštním odpadních vod
ani za nejmén p
íznivých prtokových pomr p
ekroena (imisnĂ­ limity).
Z povrchových vod jsou dále vylenny ty, které slouží jako zdroj pitné vody,
a vody využívané ke koupání osob. Pro tyto vody jsou ve vybraných ukazate-
lĂ­ch stanoveny p
ísnjší limitní koncentrace. V dále uvádných p
ehledech p
Ă­-
pustných koncentrací látek v povrchových vodách jsou souasn uvádny i
nejvýše p
ípustné koncentrace v pitných vodách, o nichž však bude pojednáno
v kap. 7.
6.3.1 Anorganické látky v povrchových vodách
Povrchové vody jsou tvo
eny vodami podzemnĂ­mi, vyvrajĂ­cĂ­mi na zemskĂ˝
povrch, a vodami srážkovými. Obsah rozpuštných anorganických slouenin se
v nich pohybuje mezi složením tchto typ vod (pokud nejsou kontaminovány
vodami odpadními), jak vyplývá z Tab.6.1.

Tab.6.1: Koncentrace minerálních látek v pírodních vodách
Typ vody Koncentrace minerálních látek, mg.l-1
Srážková jednotky - desítky
Povrchová 200 - 300
PodzemnĂ­ 300 - 500
Minerální > 1000

Obsah solí, které se bžn nacházejí v p
írodních vodách, není limitující pro
život vodních organizm, snášejících bez poškození koncentrace do p
ibliĹľn 1
g.l-1. Nadmrné zasolování vod je ovšem jevem nežádoucím, nebo snižuje
kvalitu vody jako zdroje pro prmyslové využití i pro pitné úely. Proto je v
povrchových vodách limitována celková koncentrace solí v hodnot rozpušt-
ných látek, v nichž jsou však zapoteny i látky organické. Limitované koncent-
race nkterých iont (Ca, Mg, SO42-, Cl-) mají vztah k tomuto hledisku a v p
Ă­-
pad SO42-, Cl- a Mg i souvislost s korozĂ­vnĂ­m Ăşinkem vody.



Modul 1 – Chemie p
írodních a pitných vod
- 26 (42) -

Tab.6.2: Limitní koncentrace anorganických makrosložek ve vodách
Látka Rozmr Povrchové vody Pitná voda Ukazatel
Ca mg.l-1 250 - -
Mg mg.l-1 150 - -
SO42- mg.l-1 300 250 NMH
Cl- mg.l-1 250 100 MH
NO3- mg.l-1 31 50 MH
Rozpuštné látky mg.l-1 1000 - -

Pro živé organizmy je v prost
edí, v nmž žijí, dležitá koncentrace vodíko-
vých iont, vyjad
ovaná hodnotou pH. V povrchových vodách je legislativn
vymezena hodnotami od 6,0 do 8,0. Pro posouzení acidobazických vlastností
vody je významná nejen hodnota pH, postihující okamžitý stav, ale i velikost
zmny pH po p
ídavku kyseliny nebo zásady. Tuto vlastnost vody vyjad
uje
kyselinová a zásadová neutralizaní kapacita (KNK, ZNK) k charakteristické-
mu pH (viz Modul 2, kap. 2.1), odpovídajícímu rovnovážným stavm kyseliny
uhliité. Formy kyseliny uhliité, zejména hydrogenuhliitany, jsou ve vodách
významnou složkou, která pufruje prost
edí, neboli brání velkým zmnám pH
po p
ídavku kysele nebo zásadit reagujících látek. Zatímco u p
Ă­rodnĂ­ch vod
jsou hydrogenuhliitany prakticky tém
jedinou takto psobĂ­cĂ­ sloueninou
(podobn psobĂ­ k
emiitany a huminové látky), v odpadních vodách, zvlášt
prmyslových, mže být takových látek více.
Význam hodnoty pH je i v tom, že ovlivuje rovnováhu mezi disociovanými a
nedisociovanými formami látek, což má nkdy rozhodující vliv na jejich toxic-
ké psobení. Nap
. rovnováha mezi disociovanou a nedisociovanou formou
amoniaku:
NH4+ = NH3 + H+ [6.1]
se ustaví ve smyslu Guldberg-Waageova zákona vztahem, v nmž rozhodující
význam má hodnota disocianí konstanty amoniaku Ka:
c NH c H
c NH
Ka( ). ( )
( )
,3
4
9 2510
+
+
-= = (p
i 25 oC) [6.2]
Logaritmováním rovnice [6.2] se získá vztah:
log ( )
( )
,c NH
c NH
pH3
4
9 25+ = - [6.3]
Z rovnice [6.3] vyplývá závislost pomru koncentrace obou forem amoniaku
na hodnot pH. ím je pH vyšší, tím vtší je podíl nedisociované formy a nao-
pak. DistribunĂ­ diagram mezi obma formami amoniaku, disociovanou a nedi-
sociovanou, v závislosti na pH je uveden na Obr.6.1.


Kvalita p
Ă­rodnĂ­ch vod
- 27 (42) -


Obr.6.1: Závislost procentického podílu nedisociované a disociované formy amoniaku
na pH. (pro teploty od 0 do 30 oC)

Zatímco disociovaná forma amoniaku (NH4+) je neškodná do pomrn vyso-
kých koncentrací, nedisociovaná forma (NH3) psobí toxicky, zvlášt na vyšší
vodní organizmy (ryby). Proto je limitní koncentrace celkového amoniakální-
ho dusíku ve vodních tocích podstatn vyšší než N-NH3, jehož toxické pso-
bení se na nkteré druhy ryb projevuje již v koncentracích
ádov setiny mg.l-1.
Z
ady makrobiogenních prvk mají ve vodách zvláštní význam dusík a fosfor,
nebo jejich p
ítomnost podmiuje jev zvaný eutrofizace. K eutrofizaci dochází
v povrchových, p
edevším stojatých, vodách za p
íznivých teplotních a zejmé-
na svtelných podmínek. Fotolitotrofní organizmy –
asy a sinice – jsou schop-
ny za tchto podmĂ­nek syntetizovat svoji bunnou hmotu, p
iemž další mak-
robiogennĂ­ prvky k tomu pot
ebné (C, H, O) získávají z anorganických látek -
CO2 a H2O, kterých mají v prost
edĂ­ dostatek. LimitujĂ­cĂ­m faktorem je N a P,
jejichž zdrojem bývají odpadní vody. V p
Ă­tomnosti tchto prvk ve form
anorganických slouenin, ale i organických, z nichž mikrobiálním rozkladem
jsou anorganické formy uvolovány, dochází k rozvoji
as a sinic, a to nkdy v
takové mí
e, že je kvalita povrchové vody znan znehodnocena jednak pro-
dukty jejich životní innosti, jednak látkami vznikajícími rozkladem jejich
biomasy po odum
enĂ­ organizm, kdyĹľ podmĂ­nky p
íznivé pro jejich rst po-
minuly. Nkteré z tchto produkt siln zapáchají, nkteré psobí na organiz-
my toxicky (nap
. toxiny sinic).
Dusík se vyskytuje ve vodách vázaný v organických sloueninách, dále jako
dusík amoniakální, dusitanový a dusinanový. Toxicky psobí vedle již zmín-
ného NH3 i dusitany. Fosfor je vázán v organických sloueninách, polyfosfo-
renanech a fosforenanech. P
emny slouenin dusĂ­ku a fosforu v p
Ă­rodnĂ­m
prost
edí, ale i v umlých systémech biologického ištní budou popsány
v dalších kapitolách. Pro všechny výše uvedené formy dusíkatých slouenin a
navĂ­c pro nedisociovanou formu NH3 i pro celkovĂ˝ fosfor jsou stanoveny
imisní standardy (nejvyšší hodnoty p
ípustného zneištní) vodních recipient.

0
20
40
60
80
100
7 8 9 10 11 12
pH
1
0
0
*
c
(
N
-
N
H
3
)

[
c
(
N
-
N
H
3
)

+

c
(
N
-
N
H
4
+
)
]
0
T oC
10
20
30
Modul 1 – Chemie p
írodních a pitných vod
- 28 (42) -

Tab.6.3: Limitní koncentrace slouenin dusíku a fosforu ve vodách
Látka Rozmr Povrchové vody Pitná voda Ukazatel
N-NH4+ mg.l-1 0,5 0,4 MH
NH3 mg.l-1 0,05 - -
N-NO3- mg.l-1 7 13,3 NMH
N-NO2- mg.l-1 0,05 0,15 NMH
Norg. mg.l-1 2,25 - -
Pcelk. mg.l-1 0,15 - -

Z anorganických látek, vyskytujících se v povrchových vodách v mikrogramo-
vých koncentracích, jsou z ekologického i hygienického hlediska významné
tžké kovy (TK), což jsou prakticky všechny kovové prvky s výjimkou alkalic-
kých kov a kov alkalických zemin. Nkteré z nich pat
Ă­ mezi mikrobiogennĂ­
prvky, nezbytné pro organizmy, ve vyšších koncentracích však psobí toxicky
(Zn, Cu, Cr, Co aj.), jiné mají toxický úinek již p
i koncentracĂ­ch velice nĂ­z-
kých (Hg, Cd, As, Pb), ovšem diferencovan, podle druhu organizmu. Nap
.
Cd s karcinogenními úinky je nebezpené pro lovka, zatímco pro rostliny
není jeho toxické psobení p
íliš výrazné. Jiným p
Ă­kladem je ĂşmrtĂ­ lidĂ­ po
požití masa z ryb žijících ve vod kontaminované rtutí. U toxického psobení
látky je t
eba rozlišovat akutní toxicitu, projevující se neprodlen po expozici
organizmu vyššími dávkami látky a toxicitu chronickou, projevující se až ná-
sledn po dlouhodobjším p
íjmu látky v koncentracích, které okamžit nevy-
volají žádné p
íznané úinky. U TK se jedná vtšinou o tyto pozdní úinky,
zpsobené i vlastností TK kumulovat se v organizmech. Koncentrace TK ve
vodních organizmech mže být v dsledku kumulace až o nkolik
ád vyšší
neĹľ koncentrace tchto kov v prost
edĂ­, v nmĹľ organizmy ĹľijĂ­. Pro toxicitu
kovu je dležitá i forma, v níž kov ps