Jan – Hodnocení sedimentů v nádržích ve vztahu k eutrofizaci

Jan – Hodnocení sedimentů v nádržích ve vztahu k eutrofizaci

CO UMÍME ŘÍCI O SEDIMENTECH,
ANEB HODNOCENÍ SEDIMENTŮ V
NÁDRŽÍCH VE VZTAHU
K EUTROFIZACI
Jiří Jan
Jakub Borovec
Tomáš Hubáček
Konference Vodní nádrže 2015
Úvod
Fosfor (P)
-
Eutrofizace
-
Rozpuštěný
Partikulovaný – allochtonní + autochtonní
Sediment
- Kvalita a kvantita
- Dynamické procesy
- Internal load = vnitřní zatíření
Úvod
Složení sedimentu
- množství organické hmoty - mikrobiologie
- množství vazebných partnerů pro P
Fe (hydr)oxidy
• Redox labilní
• Sled redoxních reakcí
• Amorfní vs. Krystalické
• Reaktivita, vazebné schopnosti, původ
Al (hydr)oxidy
• Redox stabilní
• Rozpouští se při pH > 8
• Amorfní vs. Krystalické
• Reaktivita, vazebné schopnosti, původ
Převzato z Gao et al. (2003)
Možnosti
1) Popsání částic v sedimentu – potenciál k uvolňování
-
koncentrace různých forem P
koncentrace skutečných vazebných partnerů
vertikální profil
2) Stanovení koncentrací látek v pórové vodě – probíhající děje
-
transportní médium
koncentrace P, Fe a ostatních rozpuštěných iontů
Metoda 1.- frakcionace
Frakcionace – postupná extrakce vzorku sedimentu – 6 kroků (Jan et al. 2015)
čas x
krok
Postup extrakcí
5 min
RRP, VP, NRP, Fe, Al ...
RRP = reaktivní rozpuštěný fosfor, NRP = nereaktivní rozpuštěný fosfor NRP = VP - NRP
Metoda - frakcionace
Čerstvý vzorek odpovídající 0.2 g sušiny
1
H2O
10 min, Deox. H2O
pelet
10 min, Deox. H2O
pelet
2
BD-I
5 min, BD (pH ~ 7.2)
pelet
5 min, BD (pH ~ 7.2)
pelet
3
2 h, BD (pH ~ 7.2)
BD-II
pelet
5 min, BD (pH ~ 7.2)
pelet
4 NaOH-I
5 min, 1M NaOH
pelet
5 min, 1M NaOH
pelet
5
NaOH-II
16 h, 1M NaOH
pelet
5 min, 1M NaOH
pelet
6
24 h, 0.5M HCl
HCl
pelet
5 min, 0.5M HCl
RRP - rozpuštěný a volně vázaný anorg. P
NRP - rozpuštěný a volně vázaný org. P
RRP - vázané na nejvíce aktivní Fe (hydr)oxidy
NRP - část organického P vázaného s Fe
Fe - amorfní a aktivní část krystal. Fe (hydr)oxidů
RRP - P vázaný na krystalické Fe (hydr)oxidy
NRP - část org. P vázaného s Fe
Fe - krystalické (hydr)oxidy
RRP - vázaný na amorfní Al (hydr)oxidy
NRP - organické formy P
Al - amorfní a aktivní část krystal. (hydr)oxidů
RRP - vázaný na krystalické Al (hydr)oxidy
NRP - část org. P
Al - krystalické Al (hydr)oxidy
RRP - vázaný v apatitech a na CaCO3
NRP - část organického P
Fe - křemičitany + FeS a pyrit
Al - křemičitany
pelet
RRP = reaktivní rozpuštěný fosfor, NRP = nereaktivní rozpuštěný fosfor NRP = VP - NRP
Metoda 2. – Minipeeper - DET
Analýza pórové vody
Uvolňování – difuze, bioturbace
Aktuální stav – prostředí, reakce
-
Difuzní rovnováha– gel 92% H2O
9 cm
-
krycí rámeček
membrána 0,4 µm
polyakrylamidový gel
plexi destička
Metoda - Minipeeper
Analýza pórové vody
O2
gel
H2O
VP, Fe, NO3-,
SO42-, ...
24h
24h
24h
0,1M
HNO3
VP, Fe, Al, ...
H2O – simulace prokysličení pórové vody- vznik sraženin
Materiál – příklady užití metod
1. Sediment s velkým potenciálem uvolňovat P
(VN Vranov)
2. Rizikový sediment se středním potenciálem uvolňovat P
(VN Němčice)
3. Sediment s nízkým potenciálem uvolňovat P
(VN Myslivny)
Vranov
Němčice
Myslivny
Výsledky
Fe
hloubka (cm)
1,5
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
0
5
(mg g-1)
10
15
20
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
12
25
Al
10
1,0
1,5
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0
2
(mg g-1)
4
6
8
10
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
NO3- (mg l-1)
20
HNO3
HNO3
(mg g-1)
0,5
0,0
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
Fe (mg l-1)
0
H2O
H2O
NRP
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
VP (mg l-1)
0
4
8
DET
1,0
Hloubka (cm)
(mg g-1)
0,5
0,0
Hloubka (cm)
Hloubka (cm)
RRP
Hloubka (cm)
Frakcionace
1. Sediment s velkým potenciálem uvolňovat P(VN Vranov)
0,0
SO42- (mg l-1)
0,5
1,0
H2O
0
2
4
H2O
Výsledky
1,0
1,5
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
Fe
0
5
(mg g-1)
10
15
20
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
25
Al
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
VP (mg l-1)
NRP
Hloubka (cm)
(mg g-1)
0,5
0,0
Fe (mg l-1)
Hloubka (cm)
Hloubka (cm)
RRP
Hloubka (cm)
Frakcionace
1. Sediment s velkým potenciálem uvolňovat P(VN Vranov)
(mg g-1)
0,5
0,0
1,0
1,5
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
0
2
(mg g-1)
4
6
8
10
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
NO3- (mg l-1)
SO42- (mg l-1)
hloubka (cm)
DET
VP =1,5 mg g-10 4 8 12
0
10
20
0,0
0,5
1,0
0
2
4
0-1
Pokles P v profilu
- RRPBD-I , FeBD-I – redukční rozpouštění Fe~P
1-2
2-3
3-4
4-5
- NRPNaOH – mikrob. rozklad org. hmoty
5-6
6-7
7-8 poměry - Fe/RRP
Nízké molární
8-9
BD-I (5-7) a Al/RRPNaOH-I (3-4)
- tzn. přesycený sediment = málo vazebných partnerů
H2O
HNO3
H2O
HNO3
H2O
H2O
Výsledky
Frakcionace
1. Sediment s velkým potenciálem uvolňovat P(VN Vranov)
(mg g-1)
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
Hloubka (cm)
RRP Fe~P,
NRPgradient
0,0
0,5
1,0
1,5
0,0
Rozpouštění
vysoké
koncentrace,
difúzní
25
Al
(mg g-1)
0,5
1,0
1,5
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
Hloubka (cm)
Fe
0
5
hloubka (cm)
15
20
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
VP (mg l-1)
0
4
8
DET
(mg g-1)
10
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
12
10
0
2
(mg g-1)
4
6
8
10
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
NO3- (mg l-1)
20
HNO3
HNO3
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
Fe (mg l-1)
0
H2O
H2O
Hloubka (cm)
Hloubka (cm)
Nepřítomnost NO3-, klesající SO42Molární poměr Fe/P = < 1, P se uvolňuje současně z organických látek
0,0
SO42- (mg l-1)
0,5
1,0
H2O
0
2
4
H2O
Výsledky
2. Rizikový sediment se středním potenciálem uvolňovat P (VN Němčice)
H2O
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
BD
Hloubka (cm)
Fe
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0
10
(mg g-1)
20
30
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
hloubka (cm)
DET
3
6
9
12
0
10
1,0
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
4
(mg g-1)
8
12
H2O
H2O
HNO3
HNO3
16
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
NO3- (mg l-1)
20
1,5
H2O
0
Fe (mg l-1)
VP (mg l-1)
0
(mg g-1)
0,5
0,0
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
Al
40
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
NRP
1,5
Hloubka (cm)
Frakcionace
1,0
Hloubka (cm)
(mg g-1)
0,5
0,0
Hloubka (cm)
RRP
0
2
SO42- (mg l-1)
4
6
0
10
20
30
H2O
H2O
Výsledky
2. Rizikový sediment se středním potenciálem uvolňovat P (VN Němčice)
H2O
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
BD
Hloubka (cm)
Fe
NRP
1,5
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0
10
(mg g-1)
20
30
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
1,0
1,5
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0
4
(mg g-1)
8
12
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
Fe (mg l-1)
VP (mg l-1)
g-10
(mg g-1)
0,5
0,0
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
Al
40
Hloubka (cm)
Frakcionace
1,0
Hloubka (cm)
(mg g-1)
0,5
0,0
16
H2O
BD
Hloubka (cm)
RRP
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
NO3- (mg l-1)
SO42- (mg l-1)
hloubka (cm)
DET
10
20
30
VP =1,8 mg
0-1
H2O
H2O
„stabilní“ P v1-2
koncencentrace Fe~P první 2 cm
2-3profilu - RRP
BD-I , FeBD-I – vyšší
H2O
3-4
4-5
H2O
HNO3
NRP
–
mikrob.
rozklad
org.
vs.
nárůst
RRP
HNO3 NaOH
5-6
NaOH-I
6-7
7-8
8-9 poměry - Fe/RRP
Vyšší molární
BD-I (10-12) a Al/RRPNaOH-I (8-14)
- přiměřená nasycenost – více vazebných partnerů
3
6
9
12
0
10
20
0
2
4
6
0
Výsledky
2. Rizikový sediment se středním potenciálem uvolňovat P (VN Němčice)
RRP
(mg g-1)
0,5
0,0
1,0
NRP
1,5
H2O
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
(mg g-1)
0,5
0,0
1,0
1,5
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
H2O
Hloubka (cm)
Hloubka (cm)
0
10
(mg g-1)
20
30
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
hloubka (cm)
DET
3
6
0
9
12
0
10
4
(mg g-1)
8
12
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
NO3- (mg l-1)
20
H2O
H2O
HNO3
HNO3
16
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
Fe (mg l-1)
VP (mg l-1)
0
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
Al
40
Hloubka (cm)
Fe
Hloubka (cm)
Frakcionace
BD
Ne-rozpouštění Fe~P - přítomnost NO3BD- ve svrchnií vrstvě – výhodnější akceptor
eBD II
Rozpouštění Fe~P v hlubších vrstvách BD II
NaOH
NaOH
Molární poměr Fe/P = 2-5 - P se uvolňuje
současně
z
organických
látek
NaOH II
NaOH II
SO4 až do 7 cm, dostatek redukovatelného
Fe
+
pomalá
mikrob.
aktivita
HCl
HCl
0
2
SO42- (mg l-1)
4
6
0
10
20
30
H2O
H2O
Výsledky
3. Sediment s nízkým potenciálem uvolňovat P (VN Myslivny)
H2O
BD
Hloubka (cm)
Fe
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0
20
(mg g-1)
40
60
80
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
hloubka (cm)
100
0,5
1,0
1,5
2,0
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
H2O
BD
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
(mg g-1)
Al
0
5
10
15
20
H2O
0-1
H2O
BD
2-3
BD
4-5
BD II
BD II
NaOH
NaOH II
NaOH
6-7
NaOH II
9-11
HCl
HCl
0
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
(mg g-1)
NRP0,0
2,0
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
3
6
NO3- (mg l-1)
Fe (mg l-1)
VP (mg l-1)
DET
1,5
Hloubka (cm)
Myslivny (mg g-1)
1,0
Hloubka (cm)
0,5
Hloubka (cm)
Frakcionace
RRP 0,0
9
12
0
20
40
H2O
H2O
HNO3
HNO3
0,0
SO42- (mg l-1)
0,5
1,0
H2O
0
5
10
H2O
Výsledky
3. Sediment s nízkým potenciálem uvolňovat P (VN Myslivny)
1,5
2,0
H2O
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
Hloubka (cm)
BD
Fe
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
0
20
(mg g-1)
40
60
80
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
g-1
100
NRP0,0
(mg g-1)
0,5
1,0
1,5
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
2,0
H2O
BD
Hloubka (cm)
Myslivny (mg g-1)
1,0
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
(mg g-1)
Al
0
5
10
15
20
H2O
0-1
H2O
BD
2-3
BD
4-5
BD II
BD II
NaOH
NaOH II
Hloubka (cm)
0,5
Hloubka (cm)
Frakcionace
RRP 0,0
NaOH
6-7
NaOH II
9-11
HCl
HCl
VP (mg l-1)
Fe (mg l-1)
NO3- (mg l-1)
SO42- (mg l-1)
hloubka (cm)
DET
0
20
40
0,0
0,5
1,0
0
5
10
0
3
6
9 12
VP = 2 mg
0-1
H2O
konstantní P1-2
v profilu - H2O
RRPBD-I , ale rozpouštění
FeBD-I
2-3
H2O
3-4
H2O
HNO3
HNO3
4-5
mikrob.
rozklad
org.
vs.
nárůst
RRP
5-6
NaOH-I
6-7
7-8
8-9
Vysoké molární
poměry - Fe/RRPBD-I (23-50) a Al/RRPNaOH-I (10)
- nenasycený sediment – obrovská koncentrace vazebných
partnerů – Fe (hydr)oxidů
Výsledky
3. Sediment s nízkým potenciálem uvolňovat P (VN Myslivny)
RRP 0,0
0,5
Myslivny (mg g-1)
1,0
1,5
H2O
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
(mg g-1)
NRP0,0
2,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
H2O
HCl
0
20
(mg g-1)
40
60
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-9
9-11
11-13
hloubka (cm)
BD II
NaOH
NaOH II
HCl
(mg g-1)
Al
0
5
10
15
20
H2O
0-1
H2O
BD
2-3
BD
4-5
BD II
NaOH
NaOH II
NaOH
6-7
NaOH II
9-11
HCl
HCl
0
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
100
BD II
3
6
NO3- (mg l-1)
Fe (mg l-1)
VP (mg l-1)
DET
80
BD
Hloubka (cm)
NaOH II
Hloubka (cm)
Hloubka (cm)
Fe
NaOH
Hloubka (cm)
Frakcionace
Rozpouštění a uvolňování Fe, málo P BD
Nulová koncentrace NO3- a spotřeba SOBD4II2- - srážení FeS
9
12
0
20
40
H2O
H2O
HNO3
HNO3
0,0
SO42- (mg l-1)
0,5
1,0
H2O
0
5
10
H2O
Hodnocení
Časová heterogenita
-
Pórová voda a koncentrace – změna v sezóně v závislosti na:
- sedimentaci částic
- teplotě vody
- koncentraci NO3- a ostatních iontů ve
vodě v nádrži – difuze do sedimentu
-
Frakcionace - potenciál částic k uvolňování
- dlouhodobější změny – sedimentace vs diageneze
Prostorová heterogenita
-
Sedimentační vs. erozní zóny v nádrži
Sedimentace rozdílného materiálu
Pro stanovení funkce sedimentu v nádrži a návrh sanace – stanovit distribuci
sedimentu (vícefrekvenční sonary) + odebrání vzorků pro analýzy
Závěry
Celkové množství P v sedimentu
-
nevypovídá o rizikovosti sedimentu pro eutrofizaci
Frakcionace a analýza pórové vody
– rizikovost sedimentů na základě stanovených koncentrací:
-
jednotlivých forem P a jejich přesunů v profilu
hlavních vazebných partnerů – Fe a Al (hydr)oxidů
rozpuštěného P a Fe v pórové vodě
iontů ovlivňujících mineralizaci org. hmoty a redukční podmínky
Děkuji za pozornost
Picture from www.7-themes.com
Jiří Jan
[email protected]
www.hydrochem.cz