Proceedings of ECOpole DOI: 10.2429/proc.2014.8(2)064
2014;8(2)
Mariusz R. RZSA1 i Bolesaw DOBROWOLSKI1
BADANIE ZJAWISKA POWSTAWANIA CHAOSU W PROCESIE TWORZENIA SI
KROPLI CIECZY
STUDY OF CHAOS PHENOMENON IN LIQUID DROP FORMATION PROCESS
Abstrakt: Artyku jest powicony badaniu procesu formowanie si
kropli cieczy tworzcej si na dyszy. Dysza jest ustawiona pionowo, a
krople odrywaj si od dyszy pod wpywem siy grawitacji. Gwnym celem
pracy jest oszacowanie, jak bardzo moe by niestacjonarny proces
formowania si kropli cieczy oraz czy mona go opisa znanymi reguami
chaosu deterministycznego. Praca zawiera wyniki bada wskazujce na
wystpowanie zjawisk chaotycznych w procesie formowania si kropli
cieczy. Badania eksperymentalne i wyniki wizualizacji stanowiy
podstaw do opracowania modelu matematycznego, opartego na bilansie
si dziaajcych na kropl cieczy formujc si na wylocie z dyszy. Wyniki
bada opracowano i przedstawiono w postaci atraktora oraz wykresw
widma mocy. W pracy w sposb skrcony opisano algorytm tworzenia
atraktora w oparciu o typowe procedury stosowane w opisie zjawisk
chaosu deterministycznego. Okrelono przedziay wartoci parametrw,
przy ktrych odstpy czasu pomidzy kolejnymi kroplami s nieregularne,
a ich prezentacja w przestrzeni fazowej wskazuje na obecno zjawisk
chaotycznych. W podsumowaniu wykazano, e wyniki oblicze
numerycznych s porwnywalne z wynikami eksperymentu. W ten sposb
udowodniono, e stosunkowo proste modele matematyczne mog symulowa
niestacjonarne stany procesw fizycznych.
Sowa kluczowe: tworzenie si kropel, chaos, atraktory
Proces powstawania kropli ma miejsce w rnego rodzaju
skraplaczach i skruberach. W ostatnim okresie prowadzone s prace
nad skraplaniem wody znajdujcej si w spalinach z uwagi na
zwikszenie sprawnoci kotw opalanych biomas. Niejednokrotnie procesy
formowania si kropli cieczy wystpujce w urzdzeniach skraplajcych
przebiegaj w sposb niestacjonarny. Tematem tego artykuu jest
oszacowanie, jak bardzo moe by niestacjonarny proces formowania si
kropli cieczy oraz czy mona go opisa znanymi reguami chaosu
deterministycznego [1-3]. Ponadto jest opisanych wiele innych
zagadnie z tematyki przepyww dwufazowych, w ktrych wystpuje chaos
deterministyczny [4, 5].
Metodyka bada i stanowisko pomiarowe
Eksperyment polega na sprawdzeniu odstpw czasu pomidzy kolejno
odrywajcymi si kroplami od wylotu dyszy i okreleniu przedziau
utraty stabilnoci. Przeprowadzono seri dowiadcze majcych na celu
pomiar odstpw czasu pomidzy kolejno odrywajcymi si kroplami wody od
kocwki dyszy. Schemat stanowiska pomiarowego jest przedstawiony na
rysunku 1. Zbiornik 1 umocowano w ten sposb, aby ciecz moga
swobodnie wypywa poprzez rur o rednicy 30 mm. Na zakoczeniu rury
zamontowano zawr regulacyjny 2, za pomoc ktrego regulowano natenie
swobodnego wypywu cieczy ze zbiornika. Zawr zakoczono dysz, na
ktrej formuje si kropla cieczy. Dysz wykonano z mosidzu. W pewnej
odlegoci od kocwki dyszy osiowo
1 Wydzia Mechaniczny, Politechnika Opolska, ul. E. Mikoajczyka
5, 45-271 Opole, tel. 77 449 80 71, email: [email protected],
[email protected] *Praca bya prezentowana podczas
konferencji ECOpole13, Jarnotwek, 23-26.10.2013
Mariusz R. Rzsa i Bolesaw Dobrowolski
580
umieszczono fotokomrk, ktra w poczeniu z komputerowym systemem
pomiarowym rejestruje kolejne czasy odrywania si kropli cieczy.
Pomiar natenia przepywu przeprowadzono metod wagow przy uyciu
zbiornika pomiarowego umieszczonego na wadze. Wartoci natenia
przepywu obliczono na podstawie zalenoci:
t
qQ
= (1)
gdzie: q - przyrost ciaru cieczy gromadzonej w naczyniu podczas
pomiaru [kg], t - czas pomiaru [min].
Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego
Fig. 1. Experimental setup
Wykonano seri pomiarw dla rnych wartoci natenia przepywu.
Pomiary przebiegay w sposb dyskretny, tzn. dla ustalonej wartoci
natenia przepywu zebrano szereg odstpw czasu pomidzy kroplami (dla
3000-5000 kropel), po czym zwikszono przepyw i przeprowadzono
nastpne pomiary. W wyniku otrzymano serie danych dla rnych wartoci
natenia przepywu.
Wyniki pomiarw
Wyniki pomiarw eksperymentalnych maj posta szeregu czasowego,
dla ktrego poszczeglne wartoci elementw cigu oznaczaj czas pomidzy
kolejnymi kroplami. Rozrzut wartoci odstpw czasu pomidzy
odrywajcymi si kroplami zaley od strumienia wypywajcej wody.
Zmierzone cigi liczbowe poddano analizie widmowej. Na tej podstawie
mona stwierdzi, czy w badanym cigu wystpuj jakie dominujce
Badanie zjawiska powstawania chaosu w procesie tworzenia si
kropli cieczy
581
wartoci, ktre wiadczyyby o procesie zdeterminowanym [2]. Proces
wyznaczania widma mocy oparto na dyskretnej transformacie Fouriera
[1]. a)
0
100
200
300
400
500
0 24 49 73 98 123 148 173 198 223 248
b)
0
100
200300
400
500
0 15 30 45 60 76 91 106 122 137 152
c)
0
50100
150200
250
0 23 47 71 96 120 144 168 193 217 241
d)
0
50
100
150
0 11 23 35 47 59 70 82 94 106 118
Rys. 2. Widmo mocy dla: a) Re = 109,1, b) Re = 203,5, c) Re =
226,1, d) Re = 258,5
Fig. 2. Power spectrum for: a) Re = 109.1, b) Re = 203.5, c) Re
= 226.1, d) Re = 258.5 Na rysunku 2 przedstawiono rozkad ilociowy
prbek, gdzie n oznacza ilo prbek,
a t warto liczbow przedziau czasowego dla danego szeregu. Wyniki
przedstawiono dla
n
n
n
n
t [ms]
t [ms]
t [ms]
t [ms]
Mariusz R. Rzsa i Bolesaw Dobrowolski
582
rnych wartoci strumienia wody wypywajcej z dyszy, dla ktrych
liczb Reynoldsa obliczono na podstawie zalenoci:
==
d
Qvd 4Re (2)
gdzie: v - prdko wypywu cieczy z dyszy [m/s], - lepko cieczy
[Pas], d - rednica dyszy (d = 0.005 m), - gsto cieczy [kg/m3].
Na rysunku 2a przedstawiono rozkad widma mocy dla stabilnego
procesu formowania si kropli cieczy. Rozkad wartoci czasw
formowania si poszczeglnych kropel przypomina krzyw Gaussa. Zatem
mona uzna, e rozbienoci mierzonych czasw s wynikiem bdw pomiaru.
Widmo mocy dla przepywu bliskiego punktowi utraty stabilnoci
przedstawiono na rysunku 2b. Widmo jest bardzo podobne do rozkadu
dla przepyww stabilnych, aczkolwiek obserwuje si asymetri rozkadu
mocy. Dla przepyww, przy ktrych wystpuje rozwinity chaos
deterministyczny, widmo mocy ma kilka wyranie dominujcych przedziaw
wartoci (rys. 2c i d) [7]. Stanowi to dowd na wielkowymiarowo
procesu. Wraz ze zwikszaniem przepywu cieczy w widmie pojawia si
coraz wicej prkw mocy, co w konsekwencji prowadzi do penej
niestabilnoci ukadu i powstania chaosu, gdzie aden z parametrw
procesu nie jest dominujcy. Powysze widma mocy pozwalaj na
wyodrbnienie wartoci odstpw czasowych pomidzy formujcymi si
kolejnymi kroplami, ktre s najbardziej prawdopodobne przy danym
nateniu przepywu.
Dla wybranych wartoci strumienia cieczy przeanalizowano
przebiegi kolejnych wyrazw cigu wartoci odstpw czasowych pomidzy
kroplami (rys. 3). Na osi pionowej zaznaczono redni czas
powstawania kolejnych kropel. O rzdnych oznacza liczb porzdkow
tworzcej si kropli. Wraz ze zwikszaniem strumienia cieczy maleje
czas powstawania kropel, jednak nieregularno tworzenia si kropel
znacznie ronie. W celu porwnania otrzymanych wynikw wprowadzono
parametr zwany dewiacj, ktrym jest procentowy stosunek przedziau
wiarygodnoci do wartoci redniej:
%t
N
ttd
N
i
i
1001
1
minmax =
=
(3)
gdzie: tmax - warto maksymalna odstpu, tmin - warto minimalna
odstpu, N - oznacza liczb danych.
Podczas pomiaru odstpw czasu pomidzy kroplami moe si zdarzy, e
zostan zarejestrowane przypadkowe i bdne wartoci, tzn. bardzo
odbiegajce od pozostaych z powodu przypadkowych zakce (drgania,
haas). W zwizku z tym z kadej serii pomiarowej odrzucono 5% danych
z przedziau najwikszych i najmniejszych wartoci. W celu
przejrzystego zobrazowania zmian czasu dyskretne punkty odstpw
czasowych poczono odcinkami.
Przeanalizowanie kolejnych rozkadw szeregw wartoci dla
zwikszajcego si strumienia cieczy wypywajcej z dyszy pozwoli na
uchwycenie mechanizmu powstawania chaosu. Rysunek 3a przedstawia
cig wartoci odstpw czasowych pomidzy kroplami dla natenia przepywu,
przy ktrym jeszcze nie wystpuje chaos. Wszystkie wartoci
Badanie zjawiska powstawania chaosu w procesie tworzenia si
kropli cieczy
583
zawieraj si w granicach wartoci redniej. Niewielkie odchyki od
wartoci redniej s spowodowane zakceniami. Dobrze obrazuje to warto
dewiacji, ktra wynosi 10,51%. Zwikszanie strumienia cieczy powoduje
zwikszenie intensywnoci odrywania si kropel przy tym samym poziomie
zakce. Rysunek 3b przedstawia przebieg krytyczny, przy ktrym
nastpuje przejcie ze struktury uporzdkowanej w chaotyczn.
Dostrzegalne jest stosunkowo regularne powstawanie kropel, ktrych
czasy s znaczco mniejsze od wartoci redniej, a ich czasy odrywania
si s zblione do siebie. Zgodnie z teori chaosu s to punkty
bifurkacji [8].
a)
b)
c)
d)
Rys. 3. Rozkad wyrazw cigu odstpw czasowych dla: a) Re = 109,1 i
d = 10,51%, b) Re = 203,5
i d = 37,85%, c) Re = 226,1 i d = 70,04%, d) Re = 258,5 i d =
112,2%
Fig. 3. Values of time intervals between the forming drops for:
a) Re = 109.1 and d = 10.51%, b) Re = 203.5 and d = 37.85%, c) Re =
226.1 and d = 70.04%, d) Re = 258.5 and d = 112.2%
Kolejne wykresy (rys. 3c i 3d) przedstawiaj chaos
deterministyczny. Trudno jest
dostrzec na podstawie przebiegu wyrazw cigu jakkolwiek
regularno. Niemniej, nie
Mariusz R. Rzsa i Bolesaw Dobrowolski
584
musi to oznacza braku uporzdkowania. W celu jednoznacznego
stwierdzenia zachowania chaotycznego ukadu naleaoby przeprowadzi
dalsze badania w dziedzinie atraktorw fazowych. Atraktory tego typu
mona opisa za pomoc technik fraktalnych, ich parametry mona wyrazi
za pomoc wymiarw stosowanych do okrelania parametrw fraktali [2].
Pojawienie si chaosu w procesie formowania si kropli cieczy wynika
z faktu, e na krople cieczy dziaa zbir si, z ktrych adna nie jest
dominujca. Ponadto chaos, cho jest nieprzewidywalny, jest jednak
deterministyczny. To znaczy, e dwa identyczne ukady chaotyczne,
pobudzone takim samym sygnaem, zachowuj si identycznie, cho nie
jestemy w stanie przewidzie, jaki bdzie stan ukadu w danej chwili.
Badajc zachowanie si ukadw zoonych, Bernard Derrid [9] udowodni, e
gdy sia oddziaywania pomidzy wspzalenymi elementami ukadu ronie,
ukad przechodzi fazowo od stanu uporzdkowanego do chaotycznego.
Podobnie rzecz ma si z kroplami, nie mona przewidzie, jaki bdzie
odstp czasu pomidzy konkretnymi nastpujcymi po sobie kroplami, ale
mona okreli zbir wielkoci, w jakim bd zawarte.
Zaleno redniego czasu odstpu pomidzy kroplami od liczby
Reynoldsa jest liniowa i odwrotnie proporcjonalna (rys. 4),
natomiast wprost proporcjonalna od dewiacji. Chaos pojawia si dla
wartoci liczby Reynoldsa powyej 200, co odpowiada dewiacji d >
35% i redniemu czasowi odstpu tS < 130 ms. Znajomo przedziaw
tych wielkoci moe suy jako kryterium wystpienia chaosu. Punkt k
jest punktem krytycznym, dla ktrego zachodzi zmiana zachowania si
ukadu, a cilej mwic utrata stabilnoci ukadu, powyej ktrej ukad
zaczyna zachowywa si chaotycznie.
Rys. 4. Zaleno redniego czasu odstpu i dewiacji od liczby
Reynoldsa
Fig. 4. Relation between drop interval time and deviation and
Reynolds number Jak wynika z powyszych charakterystyk, zmiana kta
nachylenia linii dewiacji jest
miar wystpowania chaosu, a po przejciu przez punkt krytyczny
obserwujemy zwikszony jej przyrost. Dla wartoci liczb Reynoldsa
powyej punktu k obserwujemy nagy przyrost dewiacji przy niezmiennym
spadku wartoci redniej czasu ts tworzenia si
Badanie zjawiska powstawania chaosu w procesie tworzenia si
kropli cieczy
585
kropli. Jest to dowd na utrat stabilnoci oraz pocztek obszaru
wystpowania zachowa chaotycznych ukadu.
Wnioski
Na podstawie przeprowadzonej analizy wykazano wystpowanie kilku
podstawowych cech chaosu deterministycznego w procesie formowania
si kropli cieczy. Zaobserwowano, e po przekroczeniu pewnej wartoci
krytycznej strumienia cieczy wypywajcej z dyszy proces tworzenia si
kropel zmienia si z regularnego na chaotyczny. Po przekroczeniu
punktu krytycznego widmo mocy zmienia si z prkowanego na cige
szerokopasmowe, co jest cech charakterystyczn dla chaosu. Na
podstawie dowiadczenia stwierdzono, e ukad zachowuje si chaotycznie
dla liczb Reynoldsa wikszych od 200.
Literatura
[1] Bracewell RN. The Fourier Transform and Its Applications.
3rd ed., New York: McGraw-Hill Book Company; 2000.
[2] Schuster HG. Chaos deterministyczny - wprowadzenie.
Warszawa: Wyd Nauk PWN; 1993. [3] Peitgen HO, Jrgens H, Saupe D.
Granice Chaosu FRAKTALE. Warszawa: Wyd Nauk PWN; 2002. [4] Franca
F, Acikgoz M, Lahey RTJr, Clausse A. The use of fractal techniques
for flow regime identification.
Multiphase Flow. 1991;17(4):545-552. DOI:
10.1016/0301-9322(91)90049-9. [5] Lacy CE, Sheintuch M, Dukler AE.
Methods of deterministic chaos applied to the flow of thin wavy
films.
AIChE J. 1991;37(4):481-489. DOI:10.1002/aic.690370402. [6] Van
Den Bleek CM, Schouten JC. Can Deterministic chaos create order in
fluidized-bed scale-up. Chem
Eng Sci. 1993;48(13):2367-2373. DOI:
10.1016/0009-2509(93)81058-4. [7] czkowski R. Identyfikacja chaosu
zdeterminowanego. Pomiary Automat Kont. 1990;8:159-163. [8]
Szempliska-Stupnicka W. Chaos, bifurkacje i fraktale wok nas.
Najkrtsze wprowadzenie. Warszawa:
OWPW; 2002. [9] Tambe SS, Kulkrnt BD. Intermittency route to
chaos in a periodically forced model reaction system. Chem
Eng Sci. 1993;48(15):2817-2821. DOI:
10.1016/0009-2509(93)80193-T.
STUDY OF CHAOS PHENOMENON IN LIQUID DROP FORMATION PROCESS
Department of Mechanical Engineering, Opole University of
Technology
Abstract: The subject matter of this paper involves the
examination of the process of liquid drop formation at the outlet
of a nozzle. The tested nozzle has vertical orientation and the
drops are separated under the influence of gravitational force. The
objective in this paper is the assessment of the non-stationary
characteristics in the process of drop formation and the potential
for describing it in terms of principles familiar from
deterministic chaos. The paper contains the results of experiments
which indicate that chaotic phenomena occur during the formation of
liquid drops. Both experimental results and results of
visualization offer a foundation for the development of a
mathematical model based on the balance of forces acting on a
liquid drop which is formed at the outlet of a nozzle. The results
of the research are elaborated and presented in the form of
attractors and power spectrum diagrams. The paper also contains an
outline of the algorithm used for the development of the attractor
based on standard procedures which are applied in the description
of deterministic chaos. The ranges of the parameters are determined
for which the time intervals between the successive drops tend to
be non-stationary. Their presentation in the phase space has
revealed the occurrence of chaotic phenomena. It was concluded that
numerical calculations and the results gained from experiment offer
comparable results. Consequently, it was indicated that relatively
simple mathematical model can be used for simulation of the states
of actual physical processes.
Keywords: drop formation, chaos, attractors
Proceedings of ECOpole DOI: 10.2429/proc.2014.8(2)081
2014;8(2)
Marcin SKWARKA1, Natalia PERLICEUSZ1, Monika KOWALSKA-GRALSKA1
Magdalena SENZE1 i Tomasz SKWARKA1
CHARAKTERYSTYKA FIZYCZNA I CHEMICZNA WD W PARKACH MIEJSKICH
WROCAWIA I WABRZYCHA
PHYSICAL AND CHEMICAL CHARACTERISTICS OF PARKS WAT ER OF WROCLAW
AND WALBRZYCH
Abstrakt: Badaniom poddano wod z maych rezerwuarw wodnych
zlokalizowanych w wybranych parkach miejskich Wrocawia i Wabrzycha
na przestrzeni czterech pr roku na przeomie lat 2009/2010. W
analizowanym materiale oznaczono twardo, odczyn, zasadowo,
przewodnictwo elektrolityczne oraz koncentracj chlorkw, wapnia i
magnezu. W parkowych zbiornikach wodnych zanotowano zgodne z
normami prawnymi (Dz.U.2008.162.1008; Dz.U.2004.32.284) wartoci
analizowanych parametrw fizykochemicznych wody. Na szczegln uwag
zasuguj zbiorniki zlokalizowane w parkach: Brochowskim,
Grabiszyskim, Kopernika, Szczytnickim i Topy (Wrocaw) oraz Nowe
Miasto (Wabrzych), gdzie odczyty odbiegay od wynikw zgodnych z
normami.
Sowa kluczowe: woda, parki miejskie, parametry fizykochemiczne,
Wrocaw, Wabrzych
Wprowadzenie
Zasoby wodne s odnawialne, ale wyczerpywalne, dlatego te wana
jest dbao o jako wd pyncych oraz tych o charakterze stagnujcym
[1].
Zanieczyszczenie rodowiska wodnego wynika z wprowadzenia do wd
substancji staych, ciekych lub gazowych w takich ilociach i o takim
skadzie, e wywouj negatywne skutki w rodowisku. Dotyczy to
przekroczenia norm stanu rodowiska lub dopuszczalnych wskanikw
zanieczyszcze [2]. Te elementy w wodach pyncych mog ulec
rozproszeniu, a wody - samooczyszczeniu. W przypadku rezerwuarw wd
stojcych, zwaszcza maych, bezodpywowych zbiornikw wodnych (stawy,
sadzawki, osadniki, wyrobiska z wod), stagnujca woda powoduje
akumulacj zanieczyszcze, ktre s zagroeniem dla takiego ekosystemu
[3].
Celem pracy bya fizykochemiczna ocena wd zbiornikw wodnych
zlokalizowanych w wybranych parkach miejskich Wrocawia i Wabrzycha
z uwzgldnieniem wpywu lokalizacji zielecw.
Materiay i metody
Pobrano i przebadano wod z rezerwuarw zlokalizowanych w
wybranych parkach miejskich na terenie Wrocawia (parki:
Szczytnicki, Topy, Kopernika, Brochowski, Poudniowy, Wschodni,
Grabiszyski, Lenicki, Starachowicki i Zotnicki) oraz Wabrzycha i
okolic (Piaskowa Gra, Poniatw, Rusinw i Nowe Miasto, Szczawno Zdrj,
Lubomin, wiebodzice i Grzdy Grne).
Prbki byy zbierane sezonowo: wiosn (kwiecie 2009 r.), latem
(lipiec 2009 r.), jesieni (listopad 2009 r.) oraz zim (luty 2010
r.). Woda zostaa pobrana z kadego 1 Zakad Hydrobiologii i
Akwakultury, Instytut Biologii, Uniwersytet Przyrodniczy we
Wrocawiu, ul. Chemoskiego 38C, 51-630 Wrocaw, email:
[email protected] *Praca bya prezentowana podczas
konferencji ECOpole10, Piechowice, 14-16.10.2010
Marcin Skwarka, Natalia Perliceusz, Monika Kowalska-Gralska,
Magdalena Senze i Tomasz Skwarka
588
zbiornika w odlegoci ok. 0,5 m od brzegu, z gbokoci 0,2 m.
Kadorazowo pobrano wod 3-krotnie, a prbki uredniono. In situ
okrelono przewodnictwo elektrolityczne (CM 204 SLANDI; PN-EN
27888:1999) i odczyn (PH 204 SLANDI). W laboratorium zakadowym
oznaczono: twardo ogln (PN-ISO 6059), zasadowo (PN-90/C-04540.03),
koncentracj chlorkw (PN-EN ISO 5810:2002), wapnia (PN-ISO 6058)
oraz magnezu [4-8].
Wyniki i dyskusja
Parametry fizykochemiczne wd z rezerwuarw wodnych
zlokalizowanych w wybranych parkach miejskich Wrocawia oraz
Wabrzycha i okolic przedstawione zostay odpowiednio w tabelach 1 i
2. Zestawiono je z wartociami normatywnymi wg rozporzdze ministra
waciwego ds. rodowiska.
Tabela 1
Parametry fizykochemiczne wd ze zbiornikw z parkw
wrocawskich
Table 1 Physicochemical water parameters from the reservoirs of
the parks in Wroclaw
Parametr Sezon Topy Szczyt-nicki
Koper-nika
Wschodni
Bro-chowski
Poud-niowy
Grabi-szyski
Strachowicki
Le-nicki
Zot-nicki
Wiosna 139,2 221,3 217,8 449,8b 531,9b 171,4 357,0 160,7a 178,5
289,2 Lato 160,7 203,5 296,3 392,7 621,2b 149,9 435,5 506,9ab 217,8
232,1
Jesie 135,7 274,9 285,6 457,0b 524,8b 153,5 142,8a 217,8 185,6
274,9
Twardo oglna [mg
CaCO3dm3] Zima 335,5a b.d. 335,6 553,4 589,1 385,6a 396,3 428,4
264,2 349,9 Wiosna 70,1 85,1 95,1 135,1 195,2b 75,1 175,1 140,1
170,1 215,2b
Lato 50,0 170,1a 230,2a 370,3ab 330,3ab 101,1 340,3ab 250,2
190,2 290,2 Jesie 55,0 90,1 100,1 150,1 185,1b 55,0 70,1 135,1 85,1
125,1
Zasadowo [mg
CaCO3dm3] Zima 150,1a b.d. 110,1 180,1 190,2 155,1a 155,1 280,2b
120,1 130,1
Wiosna 7,7 8,1 7,8 7,9 7,9 7,9 7,5 8,4 9,2ab 7,4 Lato 7,7 7,4
7,9 7,7 7,6 7,4 7,3 7,7 8,2 7,4
Jesie 7,3 7,2 7,3 7,2 7,3 7,1 7,1 7,3 7,2 7,2 Odczyn
[-] Zima 7,0 b.d. 7,1 7,0 7,1 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0
Wiosna 776,0 1184,0 1026,0 1076,0 1215,0 586,0 901,0 371,0b
645,0 743,0
Lato 913,0 1224,0 1125,0 1634,0b 1573,0 436,0 1608,0ab 834,0
888,0 1032,0
Jesie 1024,0 1518,0 1525,0 1536,0 1657,0 734,0a 627,0 809,0
913,0 1014,0
Przewod-nictwo elektro-lityczne
[S cm1] Zima 1618,0a b.d. 1528,0 1436,0 1623,0 1453,0a 1582,0a
1488,0a 1018,0 1103,0 Wiosna 35,8 52,9 72,9 137,3b 161,6b 40,0 98,7
47,2 65,8 94,4
Lato 25,7 55,8 90,1 118,7b 164,5b 38,6 140,1ab 70,1 67,2 90,1
Jesie 40,0 93,0a 88,7 105,9 177,3b 51,5 54,3 75,8 74,4 101,5
Wap [mgCadm3]
Zima 88,7a b.d. 93,0 164,5ab 170,2b 121,6a 123,0 121,6a 72,9
111,5 Wiosna 12,1 21,7 8,7 26,0 31,2b 17,3 26,9 10,4 3,5 13,0
Lato 23,4 15,6 17,3 23,4 51,2ab 13,0 20,8 80,6ab 11,1 1,7 Jesie
8,7 10,4 15,6 22,5 19,9 6,1 1,7 6,9 0,0 5,2
Magnez [mg Mgdm3]
Zima 27,8a b.d. 25,9a 34,7 39,9 19,9 21,7 30,4 19,9a 17,3a
Wiosna 150,0 242,0b 176,0 98,0 88,0 84,0 72,0 30,0 72,0 66,0
Lato 134,0 148,0 116,0 88,0 64,0 36,0 104,0 34,0 60,0 64,0 Jesie
164,0 210,0b 210,0b 110,0 98,0 56,0 42,0 46,0 66,0 74,0
Chlorki [mg
Cldm3] Zima 208,0 b.d. 200,0 112,0 92,0 162,0a 188,0a 78,0a 88,0
96,0
a - rnice statystycznie istotne dla parku (p 0,01); b - rnice
statystycznie istotne midzy parkami w danym sezonie (p 0,01); b.d.
- brak danych
Charakterystyka fizyczna i chemiczna wd w parkach miejskich
Wrocawia i Wabrzycha
589
Tabela 2 Parametry fizykochemiczne wd ze zbiornikw z parkw
wabrzyskich
Table 2 Physicochemical parameters of water from the reservoirs
of the parks in Walbrzych
Parametr Sezon Piasko
wa Gra
Ponia-tw
Rusi-nw 1
Rusi-nw 2
Nowe Miasto
wiebo-dzice
Szczaw-no
Zdrj
Lubo-min
Grzdy Grne
Wiosna 142,8 174,9 210,6 139,2 227,8 203,5 171,4 153,5 67,8 Lato
135,7 160,7 185,6 146,4 839,0ab 160,7 160,7 178,5 89,3
Jesie 135,6 171,4 171,4 164,2 753,3ab 178,4 153,5 139,2 71,4
Twardo oglna [mg
CaCO3dm 3] Zima 207,1 107,1 71,4 207,1 82,1 253,5 125,0 160,7
b.d. Wiosna 85,1 85,1 95,1 80,1 90,1 75,1 90,1 110,1 75,1a
Lato 80,0 90,1 115,1 95,1 335,3ab 75,1 75,1 90,1 49,0 Jesie 75,1
80,1 105,1 95,1 350,3ab 70,1 80,1 80,1 35,0
Zasadowo [mg
CaCO3dm3] Zima 95,2 55,0 45,0 100,1 50,0 95,1 60,1 75,1 b.d.
Wiosna 7,7 8,1 7,6 7,6 7,5 8,0 7,6 8,4 9,3 Lato 7,2 7,3 7,9 6,7
7,3 8,1 6,5 7,1 8,6
Jesie 7,4 7,3 7,1 7,2 7,1 7,1 7,1 7,1 7,1 Odczyn
[-] Zima 6,9 7,2 7,1 7,0 7,1 7,0 7,2 6,9 b.d.
Wiosna 290,0 3300,0b 4400,0b 510,0 280,0 420,0 320,0 260,0
120,0
Lato 310,0 5400,0ab 4800,0b 640,0 2210,0ab 480,0 440,0 370,0
190,0
Jesie 430,0 5100,0ab 6000,0ab 740,0 1910,0ab 570,0 620,0a 570,0
510,0a
Przewod-nictwo elektro-lityczne
[S cm1] Zima 430,0 2200,0b 1800,0b 710,0 120,0 680,0 250,0 350,0
b.d. Wiosna 35,8 34,3 40,0 35,8 46,8 37,2 55,8 31,5 20,0
Lato 25,7 38,8 42,9 30,0 298,9ab 44,3 35,8 25,7 15,7 Jesie 35,8
50,1a 48,6 37,2 134,4ab 58,6 54,3 37,2 20,0
Wap [mgCadm3]
Zima 38,6 22,9 17,2a 34,3 7,2b 71,5ab 18,6 25,7 b.d. Wiosna 13,0
21,7 26,9 12,1 26,9 26,9 7,8 18,2 4,3
Lato 17,3 14,7 19,1 15,3 22,6 12,1 17,3a 64,0ab 12,1a Jesie 12,1
12,1 28,0b 14,3 234,0ab 7,8a 4,3 12,3 5,2
Magnez [mg Mgdm3]
Zima 26,9 12,1 7,0a 29,9a 15,6 18,2 19,1a 23,4 b.d. Wiosna 16,0
44,0 24,0 58,0 74,0b 20,0 16,0 12,0 12,0
Lato 14,0 44,0 20,0 40,0 70,0b 38,0 17,0 4,0 15,0 Jesie 22,0
60,0 28,0 76,0 82,0 32,0 20,0 24,0 18,0
Chlorki [mg
Cldm3] Zima 22,0 36,0 30,0 72,0 24,0a 34,0 30,0 20,0 b.d.
a - rnice statystycznie istotne dla parku (p 0,01); b - rnice
statystycznie istotne midzy parkami w danym sezonie (p 0,01); b.d.
- brak danych
Twardo oglna
Wszystkie prbki wody zaklasyfikowano do II klasy czystoci [9].
rednia twardo wd pobranych z wrocawskich parkw zawieraa si w
przedziale 170-340 mg CaCO3dm
3, co oznacza wod rednio tward. Jako wody z parkw usytuowanych w
dzielnicach usugowo-mieszkalnych okrelono jako tward, a nawet
bardzo tward (< 510 CaCO3dm
3 zanotowane w parku Brochowskim) [10]. Zauwaono istotnie
znaczce (p < 0,01) zwikszenie twardoci wody w poudniowych
dzielnicach Wrocawia w porwnaniu do pozostaych rejonw miasta.
Wody pochodzce z wikszoci parkw wabrzyskich zakwalifikowano do I
klasy czystoci (wody o bardzo dobrej jakoci) i miay one charakter
wody rednio twardej (230-350 mg CaCO3dm
3). Zaobserwowano znaczce (p < 0,01) podwyszenie twardoci
Marcin Skwarka, Natalia Perliceusz, Monika Kowalska-Gralska,
Magdalena Senze i Tomasz Skwarka
590
oglnej wd pobranej ze stanowiska Nowe Miasto w sezonach letnim i
jesiennym. Tym samym jako wody ulega znaczcemu obnieniu do poziomu
IV klasy czystoci [9].
Zasadowo
Wysokie wartoci zasadowoci wody z wrocawskich zbiornikw
parkowych zanotowano w parkach Wschodnim i Brochowskim (dzielnica
usugowo-mieszkalna Wrocawia) oraz parkach Grabiszyskim,
Starachowickim i Zotnickim (strefa przemysowa miasta). Due stenie
CaCO3 uwidaczniaa si w okresie letnim dla wikszoci zbiornikw.
Wyjtek stanowi tutaj park Starachowicki, gdy najwiksza zasadowo
(280,2 mg CaCO3dm
3) przypadaa na okres zimowy. Wody z parkw zlokalizowanych w
rejonie Starego Miasta oraz rdmiecia wykazyway wartoci poniej 160
mg CaCO3dm
3, a ich jako okrelono jako III klas czystoci [9]. Zdecydowana
wikszoci badanych stanowisk wabrzyskich posiadaa wody nalece
do I klasy czystoci (wody o bardzo dobrej jakoci). Wartoci
zasadowoci nie przekraczay 200,00 mg CaCO3dm
3. Wody ze zbiornika z dzielnicy Nowe Miasto jako jedyne
zaliczono do II klasy czystoci wd [9].
Odczyn
Pod wzgldem odczynu wody pochodzce z 9 na 10 parkw wrocawskich
posiaday warto tego wskanika na poziomie 6,5-8,5 pH i zaliczono je
do I klasy czystoci wd [9]. Do klasy V zaliczono wody ze zbiornika
wodnego z parku Lenickiego zebrane w okresie wiosennym.
Zakresy odczynu dla wd byy wyrwnane dla wszystkich zbiornikw
parkowych. Najwyszy odczyn dla wszystkich rejonw przypada na okres
wiosenny zwizany ze wzrostem procesu fotosyntezy rolinnoci wodnej i
pochanianiem przez nie duych iloci ditlenku wgla. Najnisza warto
odczynu przypadaa na okres zimowy. Powodem tego stanu rzeczy bya
dua zasobno rezerwuarw wodnych w jony wapnia [11]. Wyniki
przeprowadzonych bada s zbiene z tymi, jakie uzyskano w latach
wczeniejszych w badaniach wskanikw tlenowych [12, 13].
Wody z parkw miejskich Wabrzycha i okolicznych miejscowoci
zaklasyfikowano do I klasy czystoci z wartoci pH w przedziale
6,50-8,50. Zbiornik Grzdy Grne w okresie wiosny wykazywa
podniesiony odczyn wody (pH = 9,34). Przyczyn tego mg by intensywny
rozwj rolinnoci wodnej, wzrost aktywnoci fotosyntetycznej i zwizane
z tym dynamiczne zuycie CO2 [9].
Przewodnictwo elektrolityczne
Przewodno waciwa wd powierzchniowych na terenie Polski waha si w
granicach 50-1000 Scm1 [14]. Zbliony zakres wartoci podaj rwnie
Orlik i in. [15]. Wartoci przewodnictwa elektrolitycznego wd ze
stanowisk badawczych wrocawskich i wabrzyskich zawieray si w ww.
zakresie.
Wartoci parametru dla wd pochodzcych z parkw wrocawskich wynosiy
371-1657 Sdm1. Warto maksymaln, tj. 1657 Sdm1, zanotowano w parku
Brochowskim w okresie jesiennym, natomiast minimaln - 371 Sdm1 w
parku Starachowickim w okresie wiosennym. Zbiorniki wodne
zlokalizowane w dzielnicy
Charakterystyka fizyczna i chemiczna wd w parkach miejskich
Wrocawia i Wabrzycha
591
usugowo-mieszkalnej Wrocawia charakteryzoway si najniszymi
wartociami przewodnictwa elektrolitycznego w porwnaniu do wd z
pozostaych stanowisk. Zaklasyfikowano je ponadto do II i III klasy
czystoci [9]. W okresie zimowym warto przewodnictwa bya znaczco (p
< 0,01) obniona. Dla tego okresu bada stan czystoci wody z tego
rejonu okrelono jako klas IV (warto przewodnictwa na poziomie ok.
1200 Sdm1).
Wody pobrane ze zbiornikw Piaskowa Gra, Poniatw, Rusinw 1,
Szczawno Zdrj, Lubomin oraz Grzdy Grne zaliczono do I klasy
czystoci wd pod wzgldem wartoci przewodnictwa elektrolitycznego
(< 500,00 Sdm1). Stanowiska pomiarowe wiebodzice oraz Rusinw 2 w
tej klasyfikacji nale do II klasy czystoci wd, podczas gdy wody
pochodzce ze zbiornika Nowe Miasto - do III klasy czystoci
(przewodno elektrolityczna przekroczya 1000 Sdm1).
Wap
Wody pochodzce ze zbiornikw zlokalizowanych w parkach Wschodnim
i Brochowskim zakwalifikowano do III klasy czystoci (koncentracja
pierwiastka > 100 mg Cadm3), podczas gdy pozostae rezerwuary
wodne do klasy II pod wzgldem zawartoci wapnia [9]. W okresie
zimowym we wszystkich zbiornikach stwierdzono znaczco (p < 0,01)
wysze stenie Ca. Jest to spowodowane prawdopodobnie wstpowaniem
alkalicznych pozostaoci po szkieletach miczakw i skorupiakw w
wodzie. Wysoko stenia Ca w okresie zimowym moe by rwnie efektem
ograniczenia produkcji materii organicznej oraz niskim poziomem
fotosyntezy, w wyniku ktrych Ca wystpujcy w zbiorniku nie jest
wykorzystywany zim [16].
Wabrzyskie parkowe zbiorniki wodne: Piaskowa Gra, Poniatw,
Rusinw 1, Rusinw 2, Szczawno Zdrj, Lubomin oraz Grzdy Grne posiaday
wody zaklasyfikowane do I klasy czystoci pod wzgldem zawartoci w
nich pierwiastka (koncentracja > 50,00 mg Cadm3).
Wody ze zbiornika wiebodzice zaklasyfikowano do II klasy,
podczas gdy ze zbiornika Nowe Miasto - do III. Ten ostatni wykazywa
znaczco (p < 0,01) wysz (powyej 400,00 mg Ca dm3) koncentracj
wapnia w wodzie w porwnaniu do pozostaych wd.
Magnez
Koncentracja tego pierwiastka w wikszoci przebadanych zbiornikw
wrocawskich bya niska, o kwalifikatorze I klasy czystoci [9]. W
okresie zimowym zaobserwowano istotny (p < 0,01) wzrost
koncentracji Mg2+ w porwnaniu do pozostaych okresw badawczych.
Licznar i Licznar [17] zwracaj uwag na niskie poziomy pierwiastka
wystpujce w zbiornikach wd stojcych, podczas gdy waciwa proporcja
wapnia do magnezu w wodach powinna wynosi od 4:1 do 2:1 [18].
Przeprowadzone badania potwierdzaj stan niskiej poday Mg wraz z
wod.
Zawarto magnezu w wodach z parkowych zbiornikw Wabrzycha i
okolic zawieraa si w przedziale 7,23-74,76 mg Mgdm3. Wody
zaklasyfikowano do I (wikszo stanowisk), II (Lubomin) lub III klasy
czystoci (Nowe Miasto) [9]. Woda wikszoci
Marcin Skwarka, Natalia Perliceusz, Monika Kowalska-Gralska,
Magdalena Senze i Tomasz Skwarka
592
badanych zbiornikw posiadaa waciwy stosunek wapnia do magnezu na
poziomie 2:1, z wyjtkiem stanowiska Lubomin, dla ktrego warto ta
wynosia 1:1.
Chlorki
Najnisze koncentracje chlorkw zaobserwowano w wodach zbiornikw
parkowych zlokalizowanych w dzielnicy usugowo-mieszkalnej i
przemysowej Wrocawia, podczas gdy najwysze - w centrum miasta. Wody
te zaklasyfikowano pod wzgldem zawartoci w nich chlorkw odpowiednio
do I i III klasy stanu czystoci wd [9].
Stenie chlorkw znaczco (p < 0,01) wzrastao w okresie zimowym,
co ma zwizek z bliskoci parkw wobec drg komunikacji drogowej i
przenikania na ich teren soli uywanej przez suby drogowe do
zwalczania oblodzenia ulic. Wysokie stenie jonw chlorkowych zwiksza
korozyjno, ponadto koncentracje chlorkw powyej 250 mg Cldm3 jest
szkodliwe dla rolin [19]. Takie zagroenie moe wystpi w parku
Szczytnickim.
Pod wzgldem zawartoci chlorkw wody z parkowych zbiornikw
Wabrzycha i okolic zaklasyfikowano do I klasy czystoci.
Koncentracja chlorkw zawieraa si w granicach 15,00-64,00 mg Cldm3
[9]. Kozubek i in. podaj zakres stenie chlorkw w wodzie od 3,00 do
12,00 mg Cldm3 jako waciwy dla ekosystemw wodnych [20]. Orlik i in.
[15] ograniczaj stenie chlorkw do zakresu 7,50-10,00 mg Cldm3. Nie
zaobserwowano skutkw negatywnego oddziaywania chlorkw na roliny czy
zwierzta w przebadanych zbiornikach pomimo znaczco (p < 0,01)
wyszej koncentracji chlorkw ni podawane przez ww. autorw.
Podsumowanie
W zbiornikach wodnych parkw wrocawskich zanotowano wartoci
wikszoci parametrw fizykochemicznych wody nieprzekraczajce norm
prawnych. Z wyjtkiem twardoci oglnej nie zaobserwowano
statystycznie istotnych (p < 0,01) rnic midzy strefami
badawczymi.
W wodach z wabrzyskich parkowych zbiornikw wodnych zanotowano
zgodne ze standardami prawnymi wartoci analizowanych parametrw
fizykochemicznych wody. Na szczegln uwag zasuguje zbiorniki Nowe
Miasto, gdzie odczyty odbiegay od wynikw normatywnych.
Literatura
[1] Van Loon GW, Duffy SJ. Chemia rodowiska. Warszawa: Wyd Nauk
PWN; 2007. [2] Paluch J, Pulikowski K, Trybaa M. Ochrona wd i gleb.
Wrocaw: Wyd AR we Wrocawiu; 2001. [3] Yuvanatemiya V, Boyd CE.
Physical and chemical changes in aquaculture pond bottom soil
resulting from
sediment removal. Aquacultural Eng. 2006;35(2):199-205.
DOI:10.1016/j.aquaeng.2006.02.001. [4] PN-90/C-04540.03. Woda i
cieki. Badanie zasadowoci. Oznaczenie zasadowoci oglnej metod
miareczkowania wobec wskanikw (oran metylowy). [5] PN-EN
27888:1999. Jako wody. Oznaczenie przewodnoci elektrycznej waciwej.
[6] PN-EN ISO 5810:2002. Jako wody. Oznaczenie zawartoci chlorkw.
Metoda Mohra. [7] PN-ISO 6058. Jako wody. Oznaczenie zawartoci
wapnia. Metoda miareczkowania z EDTA. [8] PN-ISO 6059. Jako wody.
Oznaczenie twardoci oglnej. Metoda miareczkowa z EDTA.
Charakterystyka fizyczna i chemiczna wd w parkach miejskich
Wrocawia i Wabrzycha
593
[9] Rozporzdzenie Ministra rodowiska z dnia 11 lutego 2004 r. w
sprawie klasyfikacji dla prezentowania stanu wd powierzchniowych i
podziemnych, sposobu prowadzenia monitoringu oraz sposobu
interpretacji wynikw i prezentacji stanu tych wd
(Dz.U.2004.32.284).
[10] Rozporzdzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. w
sprawie jakoci wody przeznaczonej do spoycia przez ludzi
(Dz.U.2007.61.417).
[11] Kwaniak A. Wpyw Zbiornika Zaporowego Mciwojw na stenie
miogenw i substancji organicznej w wodzie rzeki Wierzbaka. Zesz
Nauk AR Wrocaw. 2001:65-72.
[12] Pczka M, Zyss E, Pulikowski K. Wartoci wskanikw tlenowych
oraz stenia substancji biogennych w wodach staww parkowych we
Wrocawiu. Gosp. Wod. 2005;6:246-251.
[13] Kowalska-Gralska M, Senze M, Dobicki W, Jastrzemska M.
Accumulation of selected metals in the bottom sediments of the pond
in Szczytnicki Park in Wrocaw. Ecol Chem Eng A. 2013;20(1):55-62.
DOI: 10.2428/ecea.2013.20(01)006.
[14] Dojlido J. Chemia wd powierzchniowych. Biaystok: Wyd.
Ekonomia i rodowisko; 1987. [15] Orlik T, Obrolak R. Analysis of
water quality in fish pond in eroded basin of the Gielczew river.
Acta
Agrophys. 2005;5(3):713-721. [16] Kajak Z. Hydrobiologia -
limnologia. Warszawa: Wyd Nauk PWN; 1998. [17] Licznar SE, Licznar
M. Oddziaywanie aglomeracji miejskiej Wrocawia na poziomy
prchniczne gleb
Parku Szczytnickiego. Roczn Glebozn. 2005;56(1-2):113-118. [18]
Kowal LA, widerska-Br M. Oczyszczalnie wody podstawy teoretyczne i
technologiczne, procesy
i urzdzenia. Warszawa: Wyd Nauk PWN; 2007. [19]
www.wodip.opole.pl/eko/eko_bialals3a.htm (dostp: 15.06.2014). [20]
Kozubek M, Marek J. Metale cikie w Bystrzycy Dusznickiej i jej
dopywach. Zesz Nauk AR Wroc Zoot.
2002; 447:89-91.
PHYSICAL AND CHEMICAL CHARACTERISTICS OF PARKS WAT ER OF WROCLAW
AND WALBRZYCH
Section of Hydrobiology and Aquaculture, Institute of Biology,
The Faculty of Biology and Animal Science, Wroclaw University of
Environmental and Life Sciences
Abstract: The study involved water from small water reservoirs
located in selected urban parks in Wroclaw and Walbrzych over four
seasons of 2009-2010. In the analyzed material hardness, pH,
alkalinity, conductivity, electrolytic, and concentration of
chlorides, calcium and magnesium were determined. Majority of
physicochemical water parameters from park ponds were in accordance
with the Polish legal standards (Polish Journal of Laws:
2008.162.1008 and 2004.32.284) whereas tanks located in parks:
Brochowski, Grabiszynski, Kopernika, Szczytnicki and Tolpy
(Wroclaw) as well as Nowe Miasto (Walbrzych) - show readings differ
from those quality standard.
Keywords: water, urban parks, physicochemical parameters,
Wroclaw, Walbrzych
Proceedings of ECOpole DOI: 10.2429/proc.2014.8(2)065
2014;8(2)
Daniel SY1 i Agnieszka STEC1
ANALIZA WARIANTW ZAOPATRZENIA W WOD WIELORODZINNEGO BUDYNKU
MIESZKALNEGO
THE ANALYSIS OF VARIANTS OF WATER SUPPLY SYSTEMS IN MULTI-FAMILY
RESIDENTIAL BUILDING
Abstrakt: Zmiany klimatu, niewaciwe korzystanie z zasobw
wodnych, zanieczyszczenie wd powierzchniowych, a take zwikszajce si
zapotrzebowanie na wod, ktre jest wynikiem rosncej populacji ludzi,
powoduj, e w wikszoci krajw na wiecie, w tym take w Polsce,
wystpuje wodny deficyt. Ze wzgldu na zanieczyszczenie wody do jej
uzdatniania wymagane s coraz bardziej zaawansowane technologie, co
w efekcie prowadzi do wzrostu cen jej zakupu. W zwizku z tym coraz
czciej podejmowane s dziaania, ktrych celem jest ograniczenie
zuycia wody wodocigowej m.in. poprzez wykorzystanie wd opadowych do
spukiwania toalet, mycia samochodw, prania czy nawadniania terenw
zielonych. W publikacji przedstawiono wyniki analizy Life Cycle
Cost dla dwch wariantw zaopatrzenia w wod projektowanego budynku
wielorodzinnego, ktry zlokalizowany jest w Rzeszowie. Zgodnie z
metodologi LCC, obliczenia wykonano w penym cyklu istnienia obiektu
budowlanego, uwzgldniajc zarwno pocztkowe nakady inwestycyjne
przeznaczone na wykonanie instalacji wodocigowej, jak i koszty
zwizane z jej eksploatacj. W pierwszym z analizowanych wariantw
zaoono, e instalacja ta zasilana bdzie z miejskiej sieci
wodocigowej. Natomiast w drugim wariancie dodatkowo zastosowano
instalacj gospodarczego wykorzystania wd opadowych. Zmagazynowane w
zbiorniku wody deszczowe zostan wykorzystane w instalacji
sanitarnej do spukiwania toalet, co pozwoli obniy koszty zakupu
wody wodocigowej, zmniejszy opaty za odprowadzanie wd opadowych do
kanalizacji, i tym samym wpynie korzystanie na wyniki finansowe
funkcjonowania rozpatrywanego obiektu mieszkalnego.
Sowa kluczowe: zaopatrzenie budynkw w wod, analiza Life Cycle
Cost, systemy gospodarczego wykorzystania wody opadowej
Wprowadzenie
W dobie zmian klimatycznych i postpujcej urbanizacji zapewnienie
odpowiedniej iloci i jakoci wody pitnej staje si coraz wikszym
problemem na caym wiecie [1, 2]. Ponadto, intensywne procesy
urbanizacji wpywaj na zwikszenie liczby mieszkacw miast [3]. Wedug
danych United Nations Population Division, do 2030 roku przybdzie
na wiecie prawie 1 750 000 000 osb zamieszkujcych tereny miejskie
[4], a do 2050 roku oglna liczba ludnoci wiata wzronie do 9,3
biliona [5]. Urbanizacja, w wyniku ktrej nastpuje zmniejszenie
powierzchni terenw zielonych, gruntw uprawnych i lasw oraz
zmniejszenie biornorodnoci gatunkowej, powoduje take znaczne
pogorszenie jakoci powietrza i wody nie tylko na poziomie lokalnym,
ale rwnie regionalnym i globalnym [6, 7]. Urbanizacja jest gwn si
napdow powodujc globalne zmiany i degradacj rodowiska naturalnego
oraz wpywa na szybkie wyczerpywanie si jego zasobw [8, 9]. Dlatego
te zarzdzanie zasobami rodowiska naturalnego, w tym zasobami
wodnymi, powinno by realizowane w sposb zrwnowaony.
1 Katedra Infrastruktury i Ekorozwoju, Wydzia Budownictwa i
Inynierii rodowiska, Politechnika Rzeszowska, al. Powstacw Warszawy
12, 35-959 Rzeszw, email: [email protected], [email protected]
*Praca bya prezentowana podczas konferencji ECOpole13, Jarnotwek,
23-26.10.2013
Daniel Sy i Agnieszka Stec
596
Rosnce zapotrzebowanie na wod pitn, bdce wynikiem wzrostu liczby
ludnoci wiata, oraz wyczerpywanie si zasobw wody sodkiej powoduje,
e w wikszoci krajw, w tym take w Polsce, wystpuje wodny deficyt.
Wedug wiatowej Organizacji Zdrowia, 884 miliony ludzi na wiecie nie
ma dostpu do bezpiecznego rda wody pitnej [10], a kadego roku z
powodu jej braku lub chorb wywoanych spoywaniem wody zej jakoci
umiera ponad 5 milionw ludzi [11]. W zwizku z tym stale podejmowane
s dziaania, ktrych celem jest ograniczenie zuycia zasobw wodnych
wiata, m.in. poprzez ponowne wykorzystanie wd zuytych [12-15],
monta oszczdnych urzdze [16] oraz wykorzystanie wd opadowych do
spukiwania toalet, mycia samochodw, prania czy nawadniania terenw
zielonych [17-20].
Systemy gromadzce i wykorzystujce wody stosowane s od wielu lat
na caym wiecie. W zalenoci od kraju, warunkw klimatycznych, rodzaju
budynku w ktrym zainstalowany jest system wykorzystujcy wody
opadowe, oszczdno w zapotrzebowaniu na wod wodocigow moe siga nawet
60% [17]. Systemy tego typu zalecane s rwnie przez Komisj Europejsk
do stosowania w instalacjach sanitarnych obiektw budowlanych [21].
Dziki temu, e mog ogranicza odpyw wd deszczowych do sieci
kanalizacyjnych, a tym samym wpywa na ich hydrauliczne odcienie,
stay si integraln czci zrwnowaonego zarzdzania wodami opadowymi
[22].
W publikacji przedstawiono wyniki analizy Life Cycle Cost (LCC)
dla dwch wariantw zaopatrzenia w wod projektowanego budynku
wielorodzinnego, ktry zlokalizowany jest w Rzeszowie. W pierwszym z
analizowanych wariantw zaoono, e instalacja ta zasilana bdzie z
miejskiej sieci wodocigowej. Natomiast w drugim wariancie dodatkowo
zastosowano instalacj gospodarczego wykorzystania wd opadowych.
Zmagazynowane w zbiorniku wody deszczowe zostan wykorzystane w
instalacji sanitarnej do spukiwania toalet, co pozwoli obniy koszty
zakupu wody wodocigowej, zmniejszy opaty za odprowadzanie wd
opadowych do kanalizacji, i tym samym wpynie korzystanie na wyniki
finansowe funkcjonowania rozpatrywanego obiektu mieszkalnego.
Jak pokazuj liczne badania, woda deszczowa moe by wykorzystywana
do spukiwania toalet nie tylko w budynkach mieszkalnych [23-25],
ale rwnie w duych obiektach sportowych [26], w obiektach
uniwersyteckich [27], w supermarketach [28] czy budynkach biurowych
[29].
Problem badawczy
Badany wielorodzinny budynek mieszkalny zlokalizowany jest w
Rzeszowie. Jest to obiekt 4-pitrowy podpiwniczony, ktry skada si z
dwch segmentw. Na kadym pitrze zlokalizowane s mieszkania: po 3 na
parterze, pierwszym i drugim pitrze dla kadego segmentu oraz 2 na
trzecim pitrze dla segmentu I i trzy dla segmentu II.
Analiz finansow dla przyjtych wariantw zaopatrzenia w wod
powyszego budynku wykonano na podstawie nastpujcych podstawowych
danych: liczby mieszkacw: 81, powierzchni dachu: 455 m2,
zapotrzebowania na wod do spukiwania toalet w budynku: 2,835
m3/d.
W obliczeniach wykorzystano archiwalne dane opadowe z 10 lat dla
miasta Rzeszw. redni opad roczny w tym okresie wynosi 612 mm.
Analiza wariantw zaopatrzenia w wod wielorodzinnego budynku
mieszkalnego
597
Model symulacyjny
Model obliczeniowy systemu obejmuje ukad zbierania, gromadzenia
i zuywania wody opadowej. Sposb jego funkcjonowania determinowany
jest m.in. przez wystpowanie opadw atmosferycznych, wielko
zbiornika retencyjnego, objto wody zgromadzonej w zbiorniku, wielko
powierzchni dachowej i wspczynnik spywu oraz zapotrzebowanie na wod
o niszej jakoci. W sposb schematyczny model ten przedstawia rysunek
1.
Rys. 1. Model instalacji do zagospodarowania wd opadowych, Vd -
objto dopywu wd opadowych do
zbiornika retencyjnego, Vk - objto odpywu wd opadowych do
kanalizacji, Vu - objto dopywu wd opadowych ze zbiornika
retencyjnego do instalacji, Vw - objto wody wodocigowej
doprowadzanej do spuczek ustpowych, Vz - objto zbiornika
retencyjnego
Fig. 1. Model of the system for utilization of rainwater, Vd -
volume of precipitation water inflow to storage reservoir, Vk -
volume of precipitation water outflow to sewage system, Vu - volume
of precipitation water flow from storage reservoir to toilet
flushing units, Vw - volume of tap water supplied to toilet
flushing units, Vz - the capacity of storage reservoir
Sposb funkcjonowania systemu opisany jest nastpujcymi warunkami,
ktre
okrelaj przebieg procesw dopywu wd opadowych, ich akumulacji i
odpywu tych wd do instalacji sanitarnej oraz do kanalizacji:
Napenianie i akumulacja wd opadowych w zbiorniku retencyjnym:
Jeeli Vrki + Vdi+1 > Vz, to Vi+1 = Vz, i = 1, 2, , n Jeeli
Vrki + Vdi+1 Vz, to Vi+1 = Vrki + Vdi+1, i = 1, 2, , n
Pobr wody opadowej ze zbiornika retencyjnego przez instalacj:
Jeeli Vrpi Vs < 0, to Vrki = 0 oraz Vui = Vrpi, i = 1, 2, , n
Jeeli Vrpi Vs 0, to Vrki = Vrpi Vs oraz Vui = Vs, i = 1, 2, , n
Dopyw wody wodocigowej do zbiornika: Jeeli Vrpi > Vs, to Vwi
= 0, i = 1, 2, , n Jeeli Vrpi Vs, to Vwi = Vs Vrpi, i = 1, 2, ,
n
Daniel Sy i Agnieszka Stec
598
Odpyw wd opadowych ze zbiornika retencyjnego do kanalizacji:
Jeeli Vrpi + Vdi Vz, to Vki = 0, i = 1, 2, , n Jeeli Vrpi +Vdi >
Vz, to Vki = Vrki + Vdi Vz, i = 1, 2, , n
gdzie: Vi - objto wody opadowej retencjonowanej w zbiorniku na
koniec dnia i-tego [m3], Vdi - objto wody opadowej dopywajcej w
i-tym dniu [m
3], Vrki - objto retencjonowanej wody opadowej w zbiorniku po
poborze przez instalacj w i-tym dniu [m3], Vrpi - objto
retencjonowanej wody opadowej w zbiorniku przed poborem przez
instalacj w i-tym dniu [m3], Vs - objto wody zuywanej przez
instalacj [m3], Vu - objto dopywu wd opadowych ze zbiornika
retencyjnego do instalacji [m3], Vwi - objto wody wodocigowej
doprowadzanej do instalacji w i-tym dniu [m
3].
Model finansowy
Analiza finansowa wariantw zaopatrzenia w wod budynku
wielorodzinnego zostaa przeprowadzona z zastosowaniem metodologii
Life Cycle Cost. Zgodnie z t metodologi, obliczenia wykonano w
penym cyklu istnienia obiektu budowlanego, uwzgldniajc zarwno
pocztkowe nakady inwestycyjne przeznaczone na wykonanie instalacji
wodocigowej, jak i koszty zwizane z jej eksploatacj. Obecnie
analiza kosztw LCC stosowana jest w rnych dziedzinach gospodarki,
m.in. w energetyce, przemyle, transporcie, budownictwie,
infrastrukturze czy te technice pompowej. Wykorzystywana jest gwnie
jako narzdzie w procesie podejmowania decyzji i zarzdzania [30,
31]. Wyniki analizy LCC mog dostarczy cennych informacji i uatwi
podjcie decyzji w trakcie oceny i porwnania alternatywnych rozwiza.
W wielu krajach metodologia Life Cycle Cost jest prawnie wymagana
przy realizacji nowych inwestycji, zwaszcza tych, ktre
charakteryzuj si wysokimi nakadami pocztkowymi i dugim okresem
eksploatacji.
Dla kadej z przyjtych w badaniach koncepcji zaopatrzenia w wod
budynku wielorodzinnego oraz dla zaoonego okresu istnienia badanego
obiektu koszty LCC wyznaczono z zalenoci:
( ) ET
ttINW
Kr
NLCC
++=
=1 1
1 (1)
gdzie: NINW - nakady inwestycyjne [z], KE - koszty
eksploatacyjne [z], T - czas trwania analizy LCC, T = 30 lat, r -
staa stopa dyskontowa, r = 0,05, t - kolejny rok uytkowania obiektu
[-].
Analiz LCC przeprowadzono dla nastpujcych koncepcji
doprowadzenia wody do instalacji sucej spukiwaniu toalet w badanym
obiekcie mieszkalnym: koncepcja I - zasilanie wewntrznej instalacji
wod doprowadzon tylko z sieci
wodocigowej, koncepcja II - zasilanie wewntrznej instalacji
dodatkowo wod opadow zebran
z poaci dachu budynku i zgromadzon w zbiorniku zlokalizowanym w
piwnicy. Na podstawie zapotrzebowania na wod do spukiwania toalet
obliczono objto
zbiornika magazynujcego wody opadowe, ktra wynosi Vz = 22 m3. W
kosztach eksploatacyjnych KEI dla pierwszej z analizowanych
koncepcji
uwzgldniono koszty zakupu wody z sieci wodocigowej oraz koszty
wynikajce
Analiza wariantw zaopatrzenia w wod wielorodzinnego budynku
mieszkalnego
599
z odprowadzania caoci wd opadowych z dachu do systemu
kanalizacyjnego. Koszty te obliczono zgodnie z zalenoci:
OWDZWWEI KKK += (2) gdzie: KEI - koszty eksploatacyjne dla I
koncepcji zaopatrzenia w wod analizowanego budynku [z], KZWW -
koszty zakupu wody wodocigowej do spukiwania toalet [z], KOWD -
koszty odprowadzania wd opadowych do sieci kanalizacyjnej [z].
W drugim przypadku natomiast wzito pod uwag koszty
eksploatacyjne KEII zwizane z zakupem wody wodocigowej
przeznaczonej do uzupeniania zbiornika w sytuacji, gdy dopyw wd
opadowych z dachu nie pokryje zapotrzebowania na wod do spukiwania
toalet, oraz koszty odprowadzania nadmiaru wd deszczowych do sieci
kanalizacyjnej. Uwzgldniono take koszty wynikajce z transportu
pompowego wody ze zbiornika do misek ustpowych. Koszty
eksploatacyjne KEII obliczono z formuy:
PWOWDZWWEII KKKK ++= (3) gdzie: KEII - koszty eksploatacyjne dla
II koncepcji zaopatrzenia w wod analizowanego budynku [z], KPW -
koszty transportu pompowego wody ze zbiornika do misek ustpowych
[z].
Koszty eksploatacyjne KPW wynikajce z doprowadzania przez ukad
pompowy wody do spukiwania toalet wyznaczono z zalenoci:
6106,3 =
p
WenPW
HgVcK
(4)
gdzie: cen - cena jednostkowa energii elektrycznej [z/kWh], VW -
roczna objto wody transportowanej przez ukad pompowy ze zbiornika
do misek ustpowych [m3/rok], - gsto ciekw [kg/m3], g -
przyspieszenie ziemskie [m/s2], H - wysoko podnoszenia ukadu
pompowego [m], p - sprawno ukadu pompowego [-].
W obliczeniach kosztw eksploatacyjnych dla kadej z przyjtych
koncepcji zaopatrzenia w wod budynku uwzgldniono take coroczny
wzrost cen zakupu wody wodocigowej i energii elektrycznej oraz cen
za odprowadzanie wd opadowych do systemu kanalizacyjnego. Na
podstawie prognoz ustalono nastpujce wartoci: wzrost cen zakupu
wody z sieci wodocigowej, rw = 0,08; wzrost cen zakupu energii
elektrycznej, re = 0,07; wzrost cen za odprowadzanie wd opadowych
do kanalizacji, rd = 0,04.
W obliczeniach cakowitych kosztw budowy i uytkowania instalacji
doprowadzajcych wod do spukiwania toalet wykorzystano ponadto
nastpujce dane: cena zakupu 1 m3 wody wodocigowej, cw = 4,17 z;
cena odprowadzenia 1 m3 wd opadowych do sieci kanalizacyjnej, cwd =
3 z; roczna ilo wody doprowadzanej do toalet: 1034,78 m3; roczna
ilo wody deszczowej transportowana przez ukad pompowy do misek
ustpowych: 245,8 m3; cena zakupu energii elektrycznej, cen =
0,60 z/kWh.
Daniel Sy i Agnieszka Stec
600
Wyniki analizy Life Cycle Cost
Sformuowany model symulacyjny instalacji gospodarczego
wykorzystania wd opadowych do spukiwania toalet w analizowanym
budynku oraz przeprowadzona analiza kosztw LCC dla dwch koncepcji
zaopatrzenia w wod tego budynku wykazaa, e dla przyjtych do oblicze
danych tradycyjne zasilanie budynku w wod tylko z sieci wodocigowej
jest rozwizaniem taszym. Otrzymane wyniki bada przedstawiono w
tabeli 1.
Tabela 1
Zestawienie kosztw analizowanych koncepcji zaopatrzenia w wod
wielorodzinnego budynku mieszkalnego
Table 1 Summary of the cost the analyzed concepts of water
supply in multi-family building
Koszty eksploatacyjne KE [z] Koncepcja zaopatrzenia
budynku w wod
Nakady inwestycyjne
NINW [z] KZWW [z] KOWD [z] KPW [z]
Koszty LCC [z]
Koncepcja I 203 629 206 301,58 20 898,83 - 430 829,41 Koncepcja
II 278 383 157 327,80 1 764,08 1441,84 438 916,72
Analizujc uzyskane wyniki bada, mona zauway, e koncepcja I
charakteryzuje
si niszymi o 27% pocztkowymi nakadami inwestycyjnymi w stosunku
do koncepcji II, natomiast koszty eksploatacyjne przewyszaj o 30%
koszty eksploatacyjne rozwizania, w ktrym zastosowano instalacj
gospodarczego wykorzystania wd opadowych. Wiksza warto nakadw
inwestycyjnych dla koncepcji II spowodowana jest koniecznoci
zastosowania dodatkowych elementw, takich jak: zbiornik
magazynujcy, ukad pompowy, armatura i przewody, ktre w standardowej
instalacji nie wystpuj. Najbardziej kapitaochonnym elementem
instalacji gospodarczego wykorzystania wd opadowych jest
zbiornik.
Biorc natomiast pod uwag cakowite koszty LCC, okazao si, i
koncepcja II jest tylko o niecae 2% drosza w stosunku do koncepcji
I. Z punktu widzenia inwestora zastosowanie koncepcji II dla
przedmiotowego budynku nie jest obecnie opacalne, wic za jej
wdroeniem musz przemawia inne aspekty, np. wynikajce z koniecznoci
ograniczenia iloci wd opadowych odprowadzanych do przecionej sieci
kanalizacyjnej lub wzgldy rodowiskowe.
Podsumowanie i wnioski
Gromadzenie i wykorzystanie wody deszczowej przynosi wiele
korzyci dla zrwnowaonego rozwoju miast i wyania si jako kluczowy
punkt strategii stosowanych w celu ograniczenia niedoborw wody w
warunkach miejskich.
Przeprowadzona analiza LCC dwch koncepcji zaopatrzenia w wod
wielorodzinnego budynku mieszkalnego wykazaa, i zastosowanie
systemu gospodarczego wykorzystania wd opadowych w tym budynku
pomimo bardziej zoonej instalacji, wymagajcej ponoszenia wikszych
nakadw inwestycyjnych, moe by cenn alternatyw dla systemw
konwencjonalnych zaopatrujcych budynki wycznie w wod dostarczan z
systemw miejskich. Uzyskane efekty finansowe pozwalaj stwierdzi, e
w duszej
Analiza wariantw zaopatrzenia w wod wielorodzinnego budynku
mieszkalnego
601
perspektywie czasowej koszty cakowite tych wariantw instalacji s
podobne. Oprcz tego zastosowanie systemw zbierania, gromadzenia i
uytkowania wody deszczowej przynosi istotne efekty dla rodowiska.
Przede wszystkim ogranicza wielkoci chwilowych odpyww wd opadowych
ze zlewni i stanowi dodatkowych rezerwuar wody. Dodatkowo wpywa
korzystanie na dziaanie oglnospawnych systemw kanalizacyjnych i
oczyszczalni ciekw, a take poprawia efektywno finansow
funkcjonowania systemw odwadniajcych miast.
Literatura
[1] Jenerette D, Larsen L. A global perspective on changing
sustainable Urban water supplies. Global Planet Change.
2006;50:202-211. DOI:/10.1016/j.gloplacha.2006.01.004.
[2] Oki T, Kanae S. Global hydrological cycles and world water
resources. Science. 2006;313:1068-1072. DOI:
10.1126/science.1128845.
[3] McDonald I. Global urbanization: Can ecologists identify a
sustainable way forward? Front Ecol Environ. 2008;6(2):99-104. DOI:
10.1890/070038.
[4] United Nations Population Division. World Urbanization
Prospects: The 2005 Revision. New York: 2005. [5] United Nations,
Department of Economic and Social Affairs, Population Division.
World Population
Prospects: The 2010 Revision, Volume II: Demographic Profiles.
New York: 2011. [6] Duh D, Shandas V, Chang H, George A. Rates of
urbanisation and the resiliency of air and water quality. Sci
Total Environ. 2008;400(1-3):238-256. DOI:
10.1016/j.scitotenv.2008.05.002. [7] Kennedy C, Cuddihy J,
Engel-Yan J. The changing metabolism of cities. J Ind Ecol.
2007;11(2):43-59. DOI:
10.1162/jie.2007.1107. [8] Huang L, Yeh C, Chang F. The
transition to an urbanizing world and the demand for natural
resources. Curr
Opin Environ Sustain. 2010;2:136-143. DOI:
10.1016/j.cosust.2010.06.004. [9] Yao M, Wang C, Zhang C, Chen K,
Song P. The influencing factors of resources and environments in
the
process of urbanization of China. Prog Geogr. 2008;27(3):94-100.
[10] WHO/UNICEF. Drinking Water Equity, Safety and Sustainability:
Thematic Report on Drinking Water
2011. Joint Monitoring Programme for Water Supply and Sanitation
(JMP). Geneva, New York: 2011. [11]
http://www.unic.un.org.pl/projekt_milenijny/oblicza_ubostwa.php
[12] Hurlimann A, Dolnicar S, Meyer P. Understanding behaviour to
inform water supply management In
developer nations - A review of literature, conceptual model and
research agenda. J Environ Manage. 2009;91:47-56. DOI:
10.1016/j.jenvman.2009.07.014.
[13] Miller G. Integrated concepts in water reuse: managing
global water Leeds. Desalination. 2006;187:65-75. DOI:
10.1016/j.desal.2005.04.068.
[14] Miller E, Buys L. Water-recycling in South East Queensland,
Australia: what do men and women think. Rural Society.
2008;18(3):220-229.
[15] Zhang Y, Grant A, Sharma A, Chen D, Chen L. Alternative
water resources for rural residential development in Western
Australia. Water Resour Manage. 2010;24:25-36. DOI:
10.1007/s11269-009-9435-0.
[16] Lee M, Tansel B, Balbin M. Influence of residential water
use efficiency measures on household water demand: A four year
longitudinal study. Resour Conserv Recycl. 2011;56:1-6. DOI:
10.1016/j.resconrec.2011.08.006.
[17] Furumai H. Rainwater and reclaimed wastewater for
sustainable urban water use. Phys Chem Earth. 2008;33:340-346. DOI:
10.1016/j.pce.2008.02.029.
[18] Jones M, Hunt W. Performance of rainwater harvesting
systems in the southeastern United States. Resour Conserv Recycl.
2010;54:623-629. DOI: 10.1061/41009(333)30.
[19] Coombes P. Rainwater Tanks Revisited: New Opportunities for
Urban Water Cycle Management. The University of Newcastle,
Australia; 2003.
[20] Ghisi E, Tavares D, Rocha V. Rainwater harvesting in petrol
stations in Brasilia: Potential for notable water savings and
investment feasibility analysis. Resour Conserv Recycl.
2009;54:79-85.
[21] European Commission: Study on water performance of
buildings. Reference Report 070307/2008/520703/ETU/D2, 2009.
[22] Butler D, Memon A, Makropoulos C, Southall A, Clarke L.
Guidamce on Water Cycle Management for New Developments. CIRIA
Report C690. London: CIRIA.
Daniel Sy i Agnieszka Stec
602
[23] Ghisi E, Oliveira S. Potential for potable water savings by
combining the use of rainwater and greywater in houses in southern
Brazil. Build Environ. 2007;42:1731-1742. DOI:
10.1016/j.buildenv.2006.02.001.
[24] Ghisi E. Potential for potable water savings by using
rainwater in the residential sector of Brazil. Build Environ.
2006;41:1544-1550. DOI: 10.1016/j.buildenv.2005.01.014.
[25] Fewkes A. The use of rainwater for WC flushing: the field
testing of a collection system. Build Environ. 1999;34:765-772.
[26] Zaizen M, Urakawa T, Matsumoto Y, Takai H. The collection
of rainwater from dome stadiums in Japan. Urban Water.
1999;1:355-359.
[27] Appan A. A dual-mode system for harnessing roofwater for
non-potable uses. Urban Water. 1999;1:317-321. [28] Chilton J,
Maidment G, Marriott D, Francis A, Tobias G. Case study of
rainwater recovery system in
a commercial building with a large roof. Urban Water.
1999;1:345-354. [29] Ward S, Memon FA, Butler D. Performance of a
large building rainwater harvesting system. Water Res.
2012;46:5127-5134. DOI: 10.1016/j.watres.2012.06.043. [30] Bakis
N, Kagiouglou M, Aouad G, Amaratunga D, Kishk M, Al-Hajj A. An
Integrated Environment for Life
Cycle Costing in Construction. 2003.
http://usir.salford.ac.uk/9970/1/300_Bakis_N_AN_INTEGRATED
_ENVIRONMENT_FOR.pdf.
[31] Gluch P, Baumann H. The life cycle costing (LCC) approach:
a conceptual discussion of its usefulness for environmental
decision-making. Build Environ. 2004;39:571-580. DOI:
10.1016/j.buildenv.2003.10.008.
THE ANALYSIS OF VARIANTS OF WATER SUPPLY SYSTEMS IN MULTI-FAMILY
RESIDENTIAL BUILDING
Department of Infrastructure and Sustainable Development,
Faculty of Civil and Environmental Engineering Rzeszow University
of Technology
Abstract: This publication presents results of Life Cycle Cost
analysis of two variants of water supply systems designed for
multi-family residential building situated in Rzeszw. In line with
LCC methodology the calculations were made throughout the whole
life-cycle of the building considering initial investment outlays
intended for construction of water supply system as well as
operation and maintenance costs. In the first of analyzed variants
it was assumed that the system would be fed by municipal water
supply network. In the second variant rainwater harvesting system
for domestic use was additionally applied. Rainwater stored in the
tank would be used in sanitary installation to flush toilets, what
leads to lowering the costs of municipal water purchase, reducing
fees for rainwater discharge to sewage system and consequently is
beneficial for financial standing of the examined building.
Keywords: water supply in buildings, Life Cycle Cost analysis,
rainwater harvesting systems
Proceedings of ECOpole DOI: 10.2429/proc.2014.8(2)066
2014;8(2)
Katarzyna SOBCZYSKA-WJCIK1 i Magorzata RAFAOWSKA1
STENIA FOSFORU W WODZIE ZRENATURYZOWANYCH ZBIORNIKW NALE
CYCH
DO SYSTEMU RZECZNO-JEZIORNEGO
THE CONCENTRATIONS AND ACCUMULATION OF PHOSPHORUS IN WATER OF
RESTORED BODIES IN A RIVER-LAKE SYSTEM
Abstrakt: W przypadku wd dopywajcych do jezior zaobserwowano
popraw w zakresie obnienia ste fosforu oglnego po ich przepyniciu
przez akweny, a utrzymywanie si wysokich koncentracji Pog w wodach
badanych jezior naley wiza take z ich polimiktycznym charakterem. Z
dostawy zanieczyszcze (Pog) do zbiornikw ukadu paciorkowego wynika,
i wody dopyww wnosz do jezior znaczne jego iloci, powodujc
ponadnormatywne stenia Pog w wodzie akwenw i przyspieszajc w ten
sposb procesy, ktre pogarszaj jej jako oraz funkcjonowanie jezior.
rednie z trzech lat stenia fosforu - pierwiastka limitujcego
produkcj pierwotn - mieciy si wic w zbiornikach systemu
rzeczno-jeziornego w zakresie od 0,22 do 0,34 mg Pdm3. Sporzdzone
obliczenia akumulacji Pog w wodzie badanych zbiornikw oraz analiza
statystyczna wynikw wykazay, e wikszy wpyw na nagromadzenie biogenu
miaa objto wody ni stenie substancji, wskazujc zatem na due
moliwoci rozcieczania substancji przedostajcych si ze zlewni.
Sowa kluczowe: system rzeczno-jeziorny, jeziora polimiktyczne,
akumulacja fosforu
rodowisko przyrodnicze obszarw modoglacjalnych charakteryzuje si
wystpowaniem w nim specyficznych ukadw obiektw hydrograficznych,
zwanych rzeczno-jeziornymi. Odcinki rzeczne czce jeziora s krtkie i
maj najczciej charakter przeleww. Funkcjonujcy w ten sposb
ekosystem wodny ma du zdolno do przechwytywania i przetrzymywania
okresowo materii, ktra migruje ze zlewni, sam jednoczenie produkujc
due iloci materii organicznej. Dopywajca rzeka wnosi do niego
biogeny, przyczyniajc si do ich ponadnormatywnych ste w wodzie,
przyspieszajc procesy, ktre pogarszaj jako wody i funkcjonowanie
jezior. Obieg pierwiastkw biofilnych decyduje zatem o trofii wd [1,
2]. W ramach jednego systemu rzeczno-jeziornego jezioro moe by
zarwno puapk dla fosforu, jak te jego eksporterem [3].
Fosfor, obok azotu i potasu, naley do trio chemicznego, czyli
pierwiastkw, w stosunku do ktrych wymagania pokarmowe rolin s
szczeglnie due [4]. Fosfor, nagromadzony jednak w nadmiernej iloci
w rodowisku wodnym, jest gwnym czynnikiem powodujcym zwikszenie
jego yznoci, czyli eutrofizacj.
Badania, ktre zostay przeprowadzone w zlewniach uytkowanych
rolniczo, ukazuj problem wpywu antropopresji na stan troficzny
odtworzonych zbiornikw wodnych.
Celem pracy bya charakterystyka zmian ste fosforu w odtworzonym
okoo 30 lat temu ekosystemie rzeczno-jeziornym oraz ocena stopnia
akumulacji tego biogenu w badanych zbiornikach.
1 Katedra Melioracji i Ksztatowania rodowiska, Wydzia
Ksztatowania rodowiska i Rolnictwa, Uniwersytet Warmisko-Mazurski w
Olsztynie, pl. dzki 2, 10-727 Olsztyn, tel. 89 523 39 92,
email:[email protected] *Praca bya prezentowana podczas konferencji
ECOpole12, Zakopane, 10-13.10.2012
Katarzyna Sobczyska-Wjcik i Magorzata Rafaowska
604
Materia i metody
Badaniami objto trzy zbiorniki wodne: jezioro Nowe Wki (skadajce
si z dwch plos - basenu gwnego i zatoki pnocnej), jezioro Stalskie
Due i jezioro Stalskie Mae, poczone strug Stal w jeden system
rzeczno-jeziorny, pooone okoo 25 km na pnoc od Olsztyna w gminie
Dywity (Pojezierze Olsztyskie). Omawiane akweny zostay osuszone w
XIX wieku w wyniku przeprowadzonych kompleksowych prac
melioracyjnych, a na ich miejscu utworzono uytki zielone. Jeziora
te odtworzono na przeomie lat 70. i 80. XX wieku na skutek
podpitrzenia wody na strudze. Wszystkie obiekty pooone s na
Obszarze Chronionego Krajobrazu Doliny rodkowej yny.
Badana zlewnia ma powierzchni cakowit 883,82 ha i zostaa
podzielona pocztkowo na 8 zlewni czstkowych o numeracji: I, IA, II,
III, IIIA, IV, V, VI. Rozmieszczenie poszczeglnych zlewni wraz z
punktami pomiarowymi przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Lokalizacja obiektw badawczych wraz z rozmieszczeniem
punktw pomiarowych (skala 1:25 000)
Fig. 1. Location of the studied water bodies and measuring
points (scale 1:25 000) Prbki wody do bada laboratoryjnych
pobierano raz w miesicu przez okres trzech lat
(2005-2007). Badania obejmoway oznaczenie fosforu oglnego i
fosforu fosforanowego. Analizy laboratoryjne wykonywano wedug
powszechnie stosowanej metodyki Hermanowicza i in. [5]. Opracowania
statystyczne wykonano w programie Statistica 7 oraz EXCEL.
Wyniki i dyskusja
Badane zbiorniki wodne, funkcjonujce w ukadzie kaskadowym, rniy
si znacznie pod wzgldem ste fosforu ogem w kolejnych latach
hydrologicznych. rednie koncentracje z caego okresu bada byy jednak
zblione (z wyjtkiem zatoki pnocnej 431 jeziora Nowe Wki) i wyniosy
one od 0,22 do 0,34 mg Pog
.dm3, przy bardzo
Stenia fosforu w wodzie zrenaturyzowanych zbiornikw nalecych do
systemu
605
wysokich wahaniach ste w cigu trzech lat (od 0,03 do 2,27 mg
Pogdm3). Warto
mediany ste w analizowanych zbiornikach zawieraa si w przedziale
od 0,16 do 0,25 mg Pogdm
3 (tab. 1).
Tabela 1 Zmiany ste Pog w wodach obiektw badawczych w
poszczeglnych latach hydrologicznych 2005-2007
[mg.dm3]. Analiz wariancji dla ukadw dwuczynnikowych (TWO - WAY
ANOVA P 0,001) wykonano testem Duncana
Table 1 Annual variations in total P concentrations in the
studied water bodies in hydrological years 2005-2007 [mgdm3].
A two-way analysis of variance (Two-Way Anova p _ 0.001) was
performed using Duncans test
Pog 2005 2006 2007 2005-2007 Nazwa obiektu Punkt
pomiarowy rednia rednia wahania SD CV mediana Zbiorniki
przepywowe
ciek polny (struga)
431A* 0,18 a 0,12 a 0,21 a 0,17 a 0,06-0,52 0,14 80 0,16
dren 431B - 0,11 a 0,28 a 0,29 ab 0,04-0,84 0,23 115 0,19 rw
mel. 432A 0,23 a 0,31 a 0,33 a 0,29 ab 0,05-0,75 0,20 70 0,21
basen 431 0,20 a 0,24 a 0,31 a 0,25 ab 0,04-0,78 0,21 84 0,20
zatoka 432 0,24 a 0,41 b 0,35 a 0,34 b 0,04-2,27 0,38 112 0,25
Jezi
oro
No
we
W
ki
odpyw 433 0,31 a 0,25 a 0,27 a 0,28 ab 0,05-0,86 0,18 67
0,23
dopyw
434 0,25 a 0,19 a 0,34 a 0,26 ab 0,04-1,08 0,20 77 0,20
cz. wsch.
435
0,19 a 0,23 a 0,24 a 0,22 ab 0,03-0,48 0,13 60 0,18
cz. zach.
436
0,17 a 0,23 a 0,31 a 0,24 ab 0,06-0,97 0,17 71 0,21
Jezi
oro
Sta
lski
e
Du
e
odpyw
437 0,16 a 0,22 a 0,34 a 0,22 ab 0,03-0,62 0,13 59 0,20
Jezioro Stalskie Mae
438 0,16 a 0,23 a 0,27 a 0,22 ab 0,06-0,56 0,14 62 0,16
*Objanienia jak na rysunku 1 *Explanations the same as Figure 1
a, b, c. - rne symbole literowe oznaczaj grupy rednich w wodach
badanych obiektw rnicych si istotnie statystycznie w tecie Duncana
(Post-hoc) P 0,001 a, b, c... - superscript letters represent
groups of means that differ statistically in Duncans test
(Post-hoc) p _ 0.001 in flow-through water bodies
W wodach zasilajcych jezioro Nowe Wki statystycznie istotne
nisze rednie
stenie fosforu ogem z trzech lat wystpio w dopywie cieku polnego
431A (Strugi) - 0,17 mg Pogdm
3. W przypadku wd odprowadzanych z pl zbieraczem drenarskim
(431B) oraz wd odpywajcych rowem melioracyjnym (432A) ze zlewni
uytkowanej rolniczo wraz z zabudow wiejsk rednie koncentracje Pog z
okresu bada byy wysze o ponad 60% i wyniosy 0,29 mg Pogdm
3. Najwysza warto mediany zostaa obliczona dla rowu
melioracyjnego 432A - 0,21 mg Pogdm
3 (tab. 1). Na tle zbiornikw funkcjonujcych w systemie
rzeczno-jeziornym wyrane rnice w steniach Pog wystpiy pomidzy
plosem gwnym (poudniowym) i pnocnym jeziora Nowe Wki. rednie stenie
z okresu bada w basenie gwnym (431) wynioso 0,25 mg Pogdm
3 i byo nisze o ponad 30% (chocia statystycznie nieistotnie) ni
w zatoce pnocnej (432).
Katarzyna Sobczyska-Wjcik i Magorzata Rafaowska
606
W zatoce, gdzie woda charakteryzowaa si najwyszym wspczynnikiem
zmiennoci w okresie bada - 112% przy wahaniach 0,04-2,27 mg
Pogdm
3, rednie stenie wynioso 0,34 mg Pogdm
3. Ekstremalna warto stenia Pog (2,27 mg Pogdm3), podobnie
jak
i N-NH4, zostaa odnotowana w marcu 2006 roku - podczas zalegania
pokrywy lodowej. Powstay wwczas warunki sprzyjajce uwalnianiu
fosforu z osadw do wody. Generalnie wysokie rednie koncentracje Pog
w okresie bada w zatoce pnocnej jeziora Nowe Wki mog wskazywa na
allochtoniczne rda fosforu, spord ktrych najwaniejsze stanowi spywy
powierzchniowe z terenw zabudowanych [6]. Dostarczanie zwizkw
biogennych do zbiornika jest przyczyn powstawania toksycznych, a
nawet kancerogennych zakwitw sinicowych [7], ktre obserwowano take
w zatoce badanego jeziora. Na odpywie z jeziora (punkt 433) i
dopywie (434) do jeziora Stalskiego Duego rednie stenia fosforu
oglnego byy nisze ni w zatoce i wyniosy odpowiednio: 0,28 i 0,26 mg
Pogdm
3. W wodzie wschodniej czci (435) zbiornika Stalskiego Duego
rednie stenia Pog z okresu bada byo nieco nisze (o okoo 8%) ni w
jego czci zachodniej (punkt 436). W duej mierze mia tu wpyw rok
2007, w ktrym wystpiy intensywne opady deszczu. Potwierdzaj to take
wysokie wwczas stenia fosforu w styczniu (0,965 mg Pogdm
3), czerwcu (0,395 mg Pogdm
3) oraz lipcu (0,415 mg Pogdm3), przy jednoczenie obfitych
opadach deszczu, wynoszcych odpowiednio: 122, 116 i 122 mm.
Intensywne opady deszczu mog skutkowa tym, e w bardzo krtkim czasie
nastpuje spyw znacznej czci rocznego adunku nutrietw [8]. W tej
czci zbiornika zlewnia charakteryzuje si wikszymi spadkami terenu,
co prawdopodobnie powodowao intensywniejszy dopyw gruntowy fosforu
ze zlewni bezporedniej, w ktrej znajduj si domki letniskowe. We
wschodniej czci (435) zbiornika wzdu linii brzegowej oprcz
porastajcej j rolinnoci wodnej wystpuj liczne zakrzaczenia i
zadrzewienia mogce ogranicza spyw ze zlewni. Na odpywie (437) z
akwenu Stalskiego Duego rednia z trzech lat koncentracja fosforu
utrzymywaa si na takim samym poziomie jak w zbiorniku. Jezioro
Stalskie Mae charakteryzowao si identycznym rednim steniem z okresu
bada Pog (0,22 mg Pogdm
3) jak wschodnia cz jeziora Stalskiego Duego. Jednak mediana
stenia Pog (0,16 mg Pogdm
3) stanowia warto najnisz wrd badanych akwenw (tab. 1).
W przypadku wd dopywajcych do jezior zaobserwowano popraw w
zakresie obnienia ste fosforu oglnego po ich przepynicie przez
akweny, a utrzymywanie si wysokich koncentracji Pog w wodach
badanych jezior naley wiza take z ich polimiktycznym charakterem.
Jeziora pytkie, do ktrych nale badane akweny (o duym udziale dna
czynnego), cechuje czste kontaktowanie si powierzchniowych mas wody
z osadami dennymi, co sprzyja uwalnianiu zgromadzonego na dnie
fosforu [2, 9].
Odnoszc si do wystpujcej w akwenach zmiennoci ste fosforu,
gwnego pierwiastka limitujcego produkcj pierwotn, sporzdzono
obliczenia akumulacji tego biogenu w wodzie badanych zbiornikw.
Zawarto fosforu przy rednim stanie wd w badanej grupie zbiornikw
przedstawiono w tabeli 2.
Wrd badanych akwenw przepywowych najwiksze iloci wszystkich
rozpatrywanych skadnikw akumulowao jezioro Stalskie Due o
najwikszej powierzchni lustra wody. Generalnie akumulacja Pog
wzrastaa wraz z objtoci wody w akwenie. Tylko zatoka pnocna jeziora
Nowe Wki gromadzia nieznacznie wiksze iloci fosforu ni jezioro
Stalskie Mae (ktre posiada wiksz objto). Wynikao to
Stenia fosforu w wodzie zrenaturyzowanych zbiornikw nalecych do
systemu
607
gwnie z wyszych ste tego pierwiastka o ponad 35% w zatoce
pnocnej. Akumulacja fosforu w przeliczeniu na jednostk powierzchni
zbiornika przybieraa nastpujcy ukad rosncy: jezioro Stalskie Mae
< basen gwny jeziora Nowe Wki < zatoka pnocna jeziora Nowe
Wki < jezioro Stalskie Due. Obcienie tym biogenem badanych
jezior (w [gm2]), z wyjtkiem zatoki pnocnej, roso wraz ze wzrostem
powierzchni akwenu. W przypadku zatoki pnocnej duy wpyw miaa jedna
ze zlewni czstkowych (nr II), z ktrej nastpowa duy dopyw
zanieczyszcze rowem melioracyjnym. Wysokie stenia badanego skadnika
w wodzie zatoki wskazuj rwnie na due znaczenie procesw zachodzcych
w obrbie samego zbiornika - uwalnianie z osadw (tab. 2).
Tabela 2
Akumulacja fosforu w wodzie zbiornikw systemu rzeczno-jeziornego
(przy rednich stanach wd w okresie bada) [kg]
Table 2 Accumulation of phosphorus in water of the river-lake
system
(at average level of water during the study period) [kg]
Akumulacja [kg zbiornik 1]
Skadnik Nowe Wki Basen g.
(431)
Nowe Wki Zatoka pn.
(432)
Stalskie Due
(435,436)
Stalskie Mae (438)
czna akumulacja w zbiornikach [kg]
Pog 57,98 23,12 233,81 22,67 337,57
Akumulacja [gm2 powierzchni zbiornika] Akumulacja [gm2] cznej
pow.
zbiornikw Pog 0,4 0,5 0,5 0,2 0,5
Akumulacja [kgha1 zlewni]* Akumulacja
[kgha1] zlewni cakowitej Pog 0,35 0,06 0,33 0,03 0,42
* wielko zlewni narastajco dla kadego zbiornika * size of
catchment - increasing for everyone bodies
W paciorkowym ukadzie zbiornikw najwicej Pog z 1 ha zlewni
akumuloway basen
gwny jeziora Nowe Wki oraz jezioro Stalskie Due. Wynikao to z
cech morfometrycznych zbiornikw (wikszej pojemnoci) oraz z
kolejnoci pooenia w omawianym systemie. Jeziora gromadziy cznie z 1
hektara zlewni cakowitej 0,42 kg Pog (tab. 2). S to iloci fosforu
mieszczce si w przedziale podawanym przez innych autorw dla terenw
uytkowanych rolniczo [9].
Przeprowadzono rwnie analiz statystyczn, ustalajc zalenoci
regresyjne pomidzy akumulacj fosforu oglnego a objtoci wody i
steniami substancji w zbiornikach. Relacje pomidzy powyszymi
cechami najlepiej wyraay funkcje potgowe (rys. 2a,b). Dowiedziono,
e w jeziorach wystpujcych w ukadzie paciorkowym wspczynnik
determinacji R2 by najwyszy dla zalenoci akumulacja substancji a
objto wody w akwenie i wynis on 0,908 (rys. 2a). Bliski jednoci
wspczynnik determinacji jednoznacznie wskazuje, e na akumulacj
fosforu oglnego w wodzie zbiornikw miaa wikszy wpyw jej objto ni
stenie substancji. W odtworzonych zbiornikach przepywowych wystpiy
natomiast bardzo sabe zalenoci regresyjne pomidzy akumulacj a
steniem substancji R2 - 0,005 (rys. 2b). Silne
Katarzyna Sobczyska-Wjcik i Magorzata Rafaowska
608
powizanie akumulacja - objto wody wskazuje zatem na due moliwoci
rozcieczania substancji przedostajcych si ze zlewni.
a)
y = 0,0008x0,9047
R2 = 0,9088
0
50
100
150
200
250
300
350
0 500000 1000000 1500000
objto wody [m3]
aku
mul
acj
a P
[kg
. zbi
orn
ik-1 ]
b)
y = 53,42e-0,287x
R = 0,005
0
50
100
150
200
250
300
350
0,00 0,20 0,40 0,60
stenie P [mg. dm-1
]
aku
mul
acj
a P
[kg
. zbi
orn
ik-1 ]
Rys. 2. Krzywe i rwnania regresji oraz wspczynnik determinacji
R2 przedstawiajce (a) zaleno akumulacji
fosforu [kgzbiornik1] wzgldem objtoci wody w zbiornikach systemu
rzeczno-jeziornego [m3] i (b) stenia substancji [mgdm3] w latach
2005-2007
Fig. 2. Curved lines, regression equation and coefficient of
determination (a) of the dependence of accumulation of phosphorus
relative to the volume of water in the bodies of lake-river system
and (b) substance concentrations in 2005-2007
Stenia fosforu w wodzie zrenaturyzowanych zbiornikw nalecych do
systemu
609
Wnioski
1. W przypadku wd dopywajcych do jezior zaobserwowano popraw w
zakresie obnienia ste fosforu oglnego po ich przepynicie przez
akweny, a utrzymywanie si wysokich koncentracji Pog w wodach samych
jezior naley wiza z ich polimiktycznym charakterem - resuspensj
osadw.
2. Wyranie na tle badanych akwenw wyrniaa si zatoka pnocna
jeziora Nowe Wki, charakteryzujca si znacznie wyszymi steniami Pog
i P-PO4, co wiadczy o znaczcej roli allochtonicznych rde fosforu
(dopyw fosforu rowem melioracyjnym z terenw nieskanalizowanej
wsi).
3. Analiza statystyczna wykazaa, e w wodach jezior systemu
rzeczno-jeziornego akumulacja fosforu uzaleniona bya od objtoci
wody w zbiorniku, a nie od stenia, co wskazuje na due moliwoci
rozcieczania substancji przedostajcych si ze zlewni.
Literatura
[1] Kajak Z. Hydrobiologia: Limnologia. Ekosystemy wd rdldowych.
Warszawa: Wyd Nauk PWN; 2001. [2] Hillbricht-Ilkowska A. Shallow
lakes in lowland river systems. Role in transport and
transformations of
nutrients and biological diversity. Hydrobiology.
1999;408-409:349-358. [3] Bajkiewicz-Grabowska E, Zdanowski B.
Phosphorus retention in lake sections of Struga Siedmiu Jezior.
Limnol Review. 2006;6:5-12. [4] Jasiewicz C, Baran A. Rolnicze
rda zanieczyszczenia wd - biogeny. J Elementol. 2006;11(3):367-377.
[5] Hermanowicz W, Dojlido J, Doaska W, Koziorowski B, Zerbe J.
Fizyczno-chemiczne badanie wody
i ciekw. Warszawa: Wyd Arkady; 1999. [6] Bajkiewicz-Grabowska E.
Obieg materii systemach rzeczno-jeziornych. Warszawa: Wyd
Uniwersytet
Warszawski Wydzia Geografii i Studiw Regionalnych; 2002. [7]
Mankiewicz-Boczek J, Ggaa I, Kokociski M, Jurczak, T, Stefaniak K.
Perennial toxi-genic Planktothrix
agardhii bloom inselected lakes of Western Poland. Environ
Toxicol. 2011;26(1):10-20. DOI: 10.1002/tox.20524.
[8] Sobczyska-Wjcik K, Rafaowska M. An assessment of restored
water bodies in a river-lake system based on phosphorus
concentrations. Ecol Chem Eng A. 2011;18(11):1441-1457.
[9] Koc J, Sobczyska-Wjcik K, Skwierawski A. Dynamics of
phosphorus concentrations in the water of recreated reservoirs in
rural areas. Ecol Chem Eng. 2007;14(12):1261-1270.
THE CONCENTRATIONS AND ACCUMULATION OF PHOSPHORUS IN WATER OF
RESTORED BODIES IN A RIVER-LAKE SYSTEM
Department of Land Reclamation and Environmental Management,
Faculty of Environmental Management and Agriculture, University of
Warmia and Mazury in Olsztyn
Abstract: As regards lake inflows, a decrease in total
phosphorus levels was noted after passage through the water bodies,
and high concentrations of total phosphorus could also result from
the polymictic character of the studied lakes. The inflows to water
bodies that form a chain system supply substantial amounts of total
phosphorus to the lakes, leading to excessive phosphorus
concentrations in water and speeding up processes which deteriorate
water quality and lake functioning. Over a three-year experimental
period, the average concentrations of phosphorus, an element
limiting primary production, ranged from 0.22 to 0.34 mg Pdm3 in
the water bodies within the analyzed river-lake system. Total
phosphorus concentrations in the studied water bodies and a
statistical analysis of the results suggest that the accumulation
of this biogenic element was affected primarily by water volume,
which points to the possibility of diluting the substances supplied
from the catchment basin.
Keywords: river-lake system, polymictic lakes, phosphorus
accumulation
Proceedings of ECOpole DOI: 10.2429/proc.2014.8(2)067
2014;8(2)
Anna SZYMONIK1 i Joanna LACH1
WPYW ZMIAN pH I TEMPERATURY NA ADSORPCJ KWASU
ACETYLOSALICYLOWEGO
NA PRZEMYSOWYCH W GLACH AKTYWNYCH
THE EFFECT OF pH AND TEMPERATURE ON ADSORPTION OF
ACETYLSALICYLIC ACID FOR INDUSTRIAL ACTIVATED CA RBONS
Abstrakt: Obecno kwasu acetylosalicylowego stwierdzono m.in. w
Wile (0,4 g/dm3), w Odrze (0,73 g/ dm3), w Wetawie (0,31 g/dm3).
Kwas acetylosalicylowy zidentyfikowano rwnie w wodach pitnych
(Francja - 19 ng/dm3, Niemcy - 10 ng/dm3). Przeprowadzono badania
wpywu pH i temperatury nad sorpcj kwasu acetylosalicylowego z
roztworw wodnych na przemysowych wglach aktywnych: WG-12, ROW-08,
F-300. Badania prowadzono w zakresie pH od 2 do 10 i w temperaturze
20 i 30C. Najefektywniej adsorpcja przebiegaa na wglu aktywnym
ROW-08. Najwicej czstek jest adsorbowanych przy niskich wartociach
pH (pH = 2) i w niszej temperaturze (20C). Wraz ze wzrostem pH i
temperatury wielko adsorpcji maleje.
Sowa kluczowe: kwas acetylosalicylowy, zanieczyszczenia, wody
powierzchniowe, wgle aktywne, adsorpcja
Wstp
Kwas acetylosalicylowy nalecy do grupy niesteroidowych lekw
przeciwzapalnych jest sabym kwasem organicznym, pochodn kwasu
salicylowego. Jest nieodwracalnym inhibitorem enzymu
cyklooksygenazy - izoenzymu COX-1, biorcego udzia w syntezie
prostanoidw - mediatorw reakcji zapalnej. Wykazuje dziaanie
przeciwblowe, przeciwgorczkowe, przeciwzapalne oraz
przeciwzakrzepowe i jest stosowany jako lek wspomagajcy w chorobie
niedokrwiennej serca. Naley do lekw z grupy OTC, czyli dostpnych
bez recepty [1]. Dane firmy IMS Health wskazuj, e w Polsce od wielu
lat najwicej sprzedaje si lekw dostpnych bez recepty, stosowanych
m.in. w zwalczaniu blu, zwalczaniu objaww przezibienia i grypy, a
kwas acetylosalicylowy, znany pod handlow nazw jako: Polopiryna,
Aspirin, Acard, jest jednym z najczciej kupowanych lekw [2].
Kwas acetylosalicylowy i jego metabolit - kwas salicylowy -
zostay zidentyfikowane w ciekach surowych i oczyszczonych w wodach
powierzchniowych na terenie Polski, Niemiec, Szwajcarii, Holandii,
Hiszpanii i Stanw Zjednoczonych [3, 4]. Stenie kwasu
acetylosalicylowego w ciekach surowych oczyszczalni w Niemczech
dochodzio do 1,5 mg/dm3, a w ciekach oczyszczonych 0,036 mg/dm3 [5,
6]. W oczyszczalniach ciekw na terenie Walii stenie kwasu
acetylosalicylowego w ciekach surowych wynosio rednio 0,664 mg/dm3,
a w ciekach oczyszczonych 0,027 mg/dm3 [7]. Usuwanie kwasu
acetylosalicylowego na drodze adsorpcji na osadzie czynnym
przebiega maksymalnie z 81% efektywnoci [5].
Niecakowita eliminacja kwasu acetylosalicylowego jest przyczyn
przedostawania si tego leku do wd powierzchniowych. W Niemczech w
wodach powierzchniowych
1 Instytut Inynierii rodowiska, Politechnika Czstochowska, ul.
Brzenicka 60a, 42-200 Czstochowa, email:
[email protected], [email protected] *Praca bya
prezentowana podczas konferencji ECOpole14, Jarnotwek,
15-17.10.2014
Anna Szymonik i Joanna Lach
612
utrzymuje si na poziomie 340 ng/dm3, w rzece Taff w Walii
wystpuje w steniach 10-13 ng/dm3, w rzece Wetawa w Czechach
oznaczono kwas acetylosalicylowy w steniu 310 ng/dm3. W Polsce kwas
acetylosalicylowy zidentyfikowano w rzekach: Wisa - pobr w
Warszawie w steniu 400 ng/dm3 i Odra - pobr we Wrocawiu w steniu
730 ng/dm3 [5, 7, 8].
Poszukuje si wci nowych metod oczyszczania ciekw, ktre
skuteczniej wyeliminuj zanieczyszczenie wd spowodowane
farmaceutykami, szczeglnie na etapie ich uzdatniania. Jedn z takich
metod jest adsorpcja na wglach aktywnych. Wgle aktywne s
uniwersalnymi sorbentami dla wikszoci zwizkw organicznych.
Charakteryzuj si wystpowaniem polidyspersyjnej struktury
mikroporowatej, zgodnie z ktrym atomy wgla tworz paszczyzny
zbudowane z piercieni aromatycznych o pewnym stopniu uporzdkowania
[9, 10]. Wielko adsorpcji zaley od wielkoci powierzchni waciwej i
porowatoci. Ilo zaadsorbowanego zwizku chemicznego zaley gwnie od:
waciwoci chemicznych adsorbowanej molekuy, wielkoci powierzchni
waciwej adsorbentu, rozmiaru jego porw, chemicznej budowy
powierzchni [9, 11]. Adsorpcja zwizkw organicznych jest wynikiem
oddziaywa dyspersyjnych (siy van der Waalsa), oddziaywa
elektrostatycznych midzy jonowymi adsorbatami a powierzchni wgli
aktywnych lub/i reakcji chemicznych. Na efektywno adsorpcji ma
rwnie wpyw warto wspczynnika podziau n-oktanol/woda. Zwizki
chemiczne o niskim wspczynniku n-oktanol/woda s hydrofilowe i
polarne, a wic sabiej adsorbowane na wglach aktywnych [12]. Na
wielko adsorpcji tych zwizkw decydujcy wpyw maj powierzchniowe
tlenowe grupy funkcyjne obecne na powierzchni wgli aktywnych
[13].
Celem bada bya ocena pojemnoci adsorpcyjnych trzech technicznych
wgli aktywnych ROW-08 Supra, WG-12 i F-300 stosowanych w stacjach
uzdatniania wody oraz wpywu pH roztworu i temperatury na skuteczno
procesu adsorpcji kwasu acetylosalicylowego.
Metodyka bada
Badania adsorpcji kwasu acetylosalicylowego przeprowadzono na
trzech wglach aktywnych: formowanym ROW 08 i WG-12 oraz ziarnowym
F-300. Charakterystyk techniczn wybranych przemysowych wgli
aktywnych zamieszczono w tabeli 1, a w tabeli 2 podano podstawowe
waciwoci fizykochemiczne kwasu acetylosalicylowego.
Przed przystpieniem do bada odpopielano wgle aktywne za pomoc
10% HCl, a nastpnie wypukano je wod destylowan i suszono do staej
masy w temperaturze 105C. Pojemno adsorpcyjn kwasu
acetylosalicylowego wyznaczono na badanych wglach aktywnych przy
wartociach pH roztworw modelowych wynoszcych: 2, 4, 6, 8, 10 oraz
przy steniach pocztkowych: 0,25, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5, 4 mmol/dm3.
Wszystkie pomiary prowadzone byy z modelowych roztworw
jednoskadnikowych o objtoci 250 cm3, do ktrych dodawano 1 g wgla
aktywnego. Czas wytrzsania wynosi 10 godzin, a czas statycznego
kontaktu 14 godzin. Po tym czasie oznaczono stenie kocowe roztworw
metod oglnego wgla organicznego (OWO) na analizatorze Analyzer
Multi N/C 2100.
Okrelon warto pH uzyskiwano przez dodanie do roztworu 0,1
molowego NaOH lub 0,1 molowego HCl.
Wpyw zmian pH i temperatury na adsorpcj kwasu
acetylosalicylowego
613
Tabela 1 Waciwoci fizykochemiczne przemysowych wgli aktywnych
[14]
Table1 Physicochemical properties of industrial activated
carbons [14]
Wskanik WG-12 ROW-08 F-300 Powierzchnia waciwa [m2/g] 1005 805
800
Gsto nasypowa [g/dm3] 420 381 542 Nasikliwo wodna [cm3/g] 0,82
0,97 0,61
Wytrzymao mechaniczna [%] 98 98 93 pH wycigu wodnego 10,1 8,6
6,8
Liczba metylenowa [LM] 30 30 28 Adsorpcja jodu [mg/g] 1050 1098
1060
Wspczynnik jednorodnoci uziarnienia d60/d10
1,20 1,49 2,0
Objto kapilar [cm3/g] o uziarnieniu:
Anna Szymonik i Joanna Lach
614
a)
b)
c)
Rys. 1. Wpyw pH roztworu na adsorpcj kwasu acetylosalicylowego
na wglach aktywnych: a) ROW-08,
b) WG-12, c) F-300
Fig. 1. The influence pH of adsorption acetylsalicylic acid for
activated carbons: a) ROW-08, b) WG-12, c) F-300
Wpyw zmian pH i temperatury na adsorpcj kwasu
acetylosalicylowego
615
Adsorpcja wanderwalsowska jonw organicznych jest moliwa wtedy,
gdy w roztworze o okrelonym pH dochodzi do cakowitej jonizacji
elektrolitw. Jony nie wypieraj silnie zaadsorbowanych czsteczek
niezjonizowanych. W roztworze wodnym kwas acetylosalicylowy ulega
hydrolizie do reszty kwasu salicylowego i reaktywnej grupy
acetylowej, ktra nastpnie przechodzi w mao reaktywn reszt kwasu
octowego [16]. Po dysocjacji grupy COOH kwasu salicylowego
adsorpcja zachodzi w zalenoci od pH, niezalenie od tego, czy w
roztworze s obecne czsteczki zjonizowane. Ma miejsce jonizacja
grupy OH i utworzenie jonw dwuwartociowych. Gdy w roztworze nie ma
niezjonizowanych czsteczek, to wtedy zachodzi adsorpcja jonw
aromatycznych. Kwas octowy jest adsorbowany zgodnie z mechanizmem
wymiany jonowej.
W roztworach niezjonizowanych czsteczki wody s zatrzymywane na
powierzchni grup tlenowych. W roztworach zjonizowanych dochodzi do
cakowitej dysocjacji czsteczek. W takim przypadku za wielko sorpcji
odpowiadaj powierzchniowe grupy tlenowe [17]. W tabeli 3
przedstawiono ilo powierzchniowych grup funkcyjnych wgli aktywnych
oznaczonych metod Boehma.
Tabela 3
Ilo powierzchniowych grup funkcyjnych na wyjciowych wglach
aktywnych oznaczona metod Boehma [14]
Table 3 Amount of surface functional groups on the starting
activated carbons determined by Bohem method [14]
Grupy funkcyjne [mmol/g] Wgiel aktywny karboksylowe laktonowe
fenolowe karbonylowe zasadowe kwasowe WG-12 0,182 0,209 0,110 0,085
0,467 0,501
ROW-08 0,163 0,12 0,309 0,021 0,434 0,592 F-300 0,138 0,048
0,326 0,060 0,544 0,512
Rys. 2. Wpyw temperatury na adsorpcj kwasu acetylosalicylowego
na wglu aktywnym ROW-08
Fig. 2. Influence temperature of adsorption of acetylsalicylic
acid for activated carbons ROW-08 Adsorpcja kwasu
acetylosalicylowego najefektywniej zachodzi na wglu ROW-08
w porwnaniu do WG-12 i F-300, ale rnice nie s due. Ze wzgldu na
wielko adsorpcji wgle aktywne mona uszeregowa nastpujco:
ROW-08>F-300>WG-12. Takie
Anna Szymonik i Joanna Lach
616
uszeregowanie wgli aktywnych dotyczy zarwno adsorpcji czstek
zjonizowanych (pH 6, 8 i 10), j