Βιώσιμη διαχείριση του νερού

Βασιλικογιαννάκης Πέτρος¹, Μανιουδάκης Βασίλης², Αγγελάκης Γιώργος ³, Κορακάκη Ελένη⁴

^1,2,3Μαθητές, ⁴Καθηγήτρια Χημείας/Πληροφορικής MSc

^1,2,3,4Πρότυπο Γενικό Λύκειο Ηρακλείου Κρήτης

¹bpetros979@gmail.com, ²manioudakbill@gmail.com, ³g.angelakis08@gmail.com, ⁴korakaki2012@gmail.com

Περίληψη

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της σύγχρονης εποχής είναι η διασφάλιση της διαθεσιμότητας του νερού και η βιώσιμη διαχείρισή του. Προσπαθώντας να επιλύσουμε το παραπάνω πρόβλημα αναζητήσαμε πιθανές λύσεις. Μία από οποίες ήταν αυτή της επαναχρησιμοποίησης του νερού οικιακής χρήσης. Για να ελέγξουμε την εγκυρότητα της πρότασης μας πραγματοποιήσαμε στο σχολικό εργαστήριο σειρά πειραμάτων. Τα πρώτα από αυτά είχαν ως σκοπό αφενός την βελτίωση της ποιότητας του νερού από οικιακή χρήση και αφετέρου τον έλεγχο των χημικών και βιολογικών ιδιοτήτων αυτού. Αρχικά, δημιουργήθηκαν φίλτρα από φυσικά υλικά με διαφορετικές στρώσεις και στη συνέχεια μελετήθηκαν τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του νερού μετά το φιλτράρισμα. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν χημικές αναλύσεις: μέτρησης νιτρικών και νιτρώδων ιόντων, φωσφορικών και ιόντων αμμωνίου. Ακόμη, μετρήθηκε το pH και η σκληρότητα σε συνδυασμό με αναλύσεις που έγιναν με χρήση μικροελεγκτή Arduino και αισθητήρων. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις αγωγιμότητας, θολότητας και ολικών στερεών. Τα πειραματικά αποτελέσματα καταγράφηκαν και αξιολογήθηκαν. Το συμπέρασμα της έρευνάς μας είναι ότι το νερό αυτό μετά από το κατάλληλο φιλτράρισμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ασφάλεια για ύδρευση και άρδευση καλλωπιστικών φυτών.

 Λέξεις-κλειδιά: Αειφορία, ποιότητα νερού, διαχείριση υδάτινων πόρων

 Εισαγωγή

Πολλά είναι τα δείγματα που επιβεβαιώνουν ότι στις μέρες μας υπάρχει σοβαρή έλλειψη πόσιμου νερού σε πολλές περιοχές του πλανήτη, με συνέπεια εκατομμύρια ανθρώπων να πλήττονται καθημερινά από την λειψυδρία. Όπως αναφέρεται στην βιβλιογραφία, λιγότερο από το 0,26% του παγκόσμιου υδάτινου πόρου είναι εύκολα προσβάσιμο ως γλυκό νερό σε λίμνες, δεξαμενές και ποτάμια για ανθρώπινη και περιβαλλοντική χρήση (Shiklomanov, 2000). Βασιζόμενοι σε αυτά τα δεδομένα, αποφασίσαμε να αναζητήσουμε τρόπους για την διασφάλιση της διαθεσιμότητας και την βιώσιμη διαχείριση του νερού. Το παραπάνω αποτελεί και τον στόχο 15 των Ηνωμένων Εθνών σχετικά με το καθαρό νερό και την αποχέτευση. Μετά από συζήτηση -έρευνα καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι το πρόβλημα οφείλεται στο ότι δεν υπάρχουν επαρκείς ποσότητες καθαρού νερού για να καλύψουν όλες τις ανάγκες του πληθυσμού. Έτσι, κρίναμε ότι καθοριστικός είναι ο ρόλος της επαναχρησιμοποίησης του νερού στην αντιμετώπιση της λειψυδρίας και με το πρόσχημα αυτό εκτελέσαμε σειρά πειραμάτων.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του νερού είναι: η σκληρότητα, το πε-χα, τα ιόντα αμμωνίου, τα νιτρικά, τα νιτρώδη και τα φωσφορικά ιόντα, η αγωγιμότητα, η θολότητα, τα διαλυμένα στερεά.

Σκληρότητα

Η σκληρότητα του νερού είναι πολύ σημαντική παράμετρος καθορισμού της ποιότητάς του. Η ολική σκληρότητα του νερού οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη των διαλυμένων σε αυτό ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου. Το νερό διηθείτε φυσικά κατά το πέρασμά του από υπόγεια πετρώματα, οπότε τα εν λόγω άλατα μένουν ως κατάλοιπο της διήθησης (Νάκου, 2015). Τα άλατα είναι μεν πολύτιμα για την υγεία των ζωικών οργανισμών όμως σε μεγάλες συγκεντρώσεις -σκληρό νερό- προκαλούν δυσλειτουργίες στον οργανισμό, όπως πέτρες στα νεφρά και κακή λειτουργία ζωτικών οργάνων.

pH (πε- χα)

Το καθαρό νερό(H₂O) δεν αποτελείται μόνο από μόρια νερού. Μετρήσεις της αγωγιμότητας του, έδειξαν ότι σε αυτό υπάρχουν και ιόντα οξωνίου (H₃O⁺) και υδροξειδίου (OH^-) που προκύπτουν καθώς το νερό διασπάται σε ιόντα σύμφωνα με την αντίδραση: H₂O +H₂O⇔ H₃O⁺ +OH^-. Παράλληλα, σε όλα τα υδατικά διαλύματα υπάρχουν ιόντα οξωνίου και υδροξειδίου και το pΗ μετράει την συγκέντρωση των ιόντων οξωνίου (Λιοδάκης κ.α., 2018). Ο προσδιορισμός του pH ενός υδατικού συστήματος δίνει βασικές ενδείξεις για την ποιότητα του νερού. Επιπλέον, από την τιμή του pH μπορούμε να προβλέψουμε την επίδραση του νερού στη ζωή των φυτών και των ζώων σε υδάτινα οικοσυστήματα ή ακόμα και σε μονάδες επεξεργασίας λυμάτων.

Ιόντα αμμωνίου ()

Το κατιόν αμμωνίου(), σχηματίζεται όταν η αμμωνία αποκτά ένα επιπλέον πρωτόνιο. Το ιόν αυτό από μόνο του δεν είναι τοξικό για το άνθρωπο αλλά στο νερό δεν διατηρεί την μορφή του και μετατρέπεται εύκολα σε νιτρικό ιόν και νιτρώδες ιόν (Radu & Racoviteanu, 2021).

Νιτρικό ιόν ()

To νιτρικό ιόν (), σχηματίζεται όταν το νιτρικό οξύ χάσει ένα πρωτόνιο. Η παρουσία του νιτρικού ιόντος στο έδαφος και στο νερό είναι ουσιώδης καθώς αποτελεί σημαντική πηγή αζώτου για τα φυτά. Εξάλλου, πολλά νιτρικά ιόντα χρησιμοποιούνται ως λιπάσματα όπως τα NH₄NO₃, NaNO₃ και ΚΝΟ₃. Ωστόσο, η υπερβολική κατανάλωση νιτρικών ιόντων, μέσω του νερού, μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά προβλήματα υγείας (National Library of Medicine, 2024). Αρχικά, το νιτρικό ιόν μπορεί μέσα στο πεπτικό σύστημα να μετατραπεί σε νιτρώδες ιόν () και στη συνέχεια να μετατραπεί σε νιτροζαμίνες που είναι καρκινογόνες ουσίες. Επιπλέον, τα νιτρικά ιόντα μπορούν να προκαλέσουν μεθαιμοσφαιριναιμία μια ασθένεια που επηρεάζει την μεταφορά οξυγόνου από το αίμα και μπορεί να οδηγήσει στον θάνατο. Γενικά, το πόσιμο νερό δεν πρέπει να περιέχει παραπάνω από 10mg/L νιτρικού ιόντος (Πανεπιστήμιο Πατρών, 2024. Encyclopaedia Britannica, 2024; Kiddle Encyclopedia, 2024; Ward et al., 2018).

Νιτρώδες ιόν ()

Το νιτρώδες ιόν () όταν αντιδράσει με διαμίνες προκύπτουν νιτροζαμίνες που μπορεί να προκαλέσουν καρκίνο του στομάχου. Παράλληλα μπορεί να προκαλέσει μεθαιμοσφαιριναιμία. Η διαταραχή αυτή έχει ως συνέπεια να μην οξυγονώνονται επαρκώς τα κύτταρα του σώματος, οπότε μπορεί να προκληθεί δύσπνοια, κυάνωση και σε υψηλότερες συγκεντρώσεις ασφυξία. Γενικά, τιμές μεγαλύτερες από 1mg/L στο νερό είναι επιβλαβές για την υγεία (Kiddle Encyclopedia,2024).

Φωσφορικό ιόν ().

Το φωσφορικό ιόν () προκύπτει από το φωσφορικό οξύ όταν αυτό χάσει τρία πρωτόνια. Το ιόν αυτό δεν έχει αρνητικές συνέπειες για τον άνθρωπο εκτός αν βρίσκεται σε πολύ μεγάλη συγκέντρωση. Ωστόσο, μεγάλες ποσότητες φωσφορικού ιόντος στο νερό μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά το φυσικό περιβάλλον καθώς οδηγούν σε ραγδαία αύξηση της συγκέντρωσης των θρεπτικών ουσιών. Ως αποτέλεσμα, τα φύκια και βακτήρια αναπτύσσονται με τόσο γρήγορο ρυθμό που καλύπτουν την επιφάνεια του νερού εμποδίζοντας το φως να φτάσει στους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς κάτω από την επιφάνειά του. Παράλληλα, η ανάπτυξη του φυτοπλαγκτόν και των υδάτινων φυτών οδηγεί στην μείωση του οξυγόνου και τελικά των θρεπτικών ουσιών, με συνέπεια το νερό να υποβαθμίζεται ποιοτικά (David, 1999; Environmental Protection Agency, 2023; KnowYourH2O, 2024; MDPI, 2021; Nowack & Stone, 2006).

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

Στόχος της πειραματικής έρευνας ήταν ο έλεγχος των ποιοτικών χαρακτηριστικών του νερού οικιακής χρήσης μετά από φιλτράρισμα. Για την εκτέλεση των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε πακέτο Ανάλυσης Νερού, που περιλάμβανε έξι τεστ χρωματομετρικής ανάλυσης των πιο σημαντικών παραμέτρων του νερού, όπως εμφανίζεται στην Εικόνα 1.

Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα μέτρησης σκληρότητας, συγκέντρωσης ιόντων αμμωνίου (), Νιτρικών ιόντων (), Nιτρώδων Ιόντων () και Φωσφορικών Ιόντων () σε νερό βρύσης, τα οποία αποτελούσαν το τυφλό δείγμα και θα χρησιμοποιούνταν ως μέτρο σύγκρισης. Στη συνέχεια, εκτελέστηκαν πειράματα για την μέτρηση του πε-χα (pH) με πεχάμετρο και πεχαμετρικό χαρτί.

Το επόμενο βήμα ήταν της κατασκευής φυσικών φίλτρων από άμμο, βότσαλα, και με χρήση ηθμού. Ελέγχθηκε η απόδοση των φίλτρων αλλάζοντας τις παραμέτρους: πάχος στρώσεων και σειρά τοποθέτησης υλικών (άμμου και βότσαλων), όπως φαίνεται στην εικόνα 2.

Στη συνέχεια επαναλήφθηκαν τα πειράματα μέτρησης σκληρότητας, συγκέντρωσης ιόντων Αμμωνίου, Νιτρικών ιόντων, Nιτρώδων ιόντων, Φωσφορικών ιόντων και μέτρησης πε-χα για το διηθημένο νερό. Με αυτές τις μετρήσεις αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα των φίλτρων.

Το επόμενο στάδιο αφορούσε τη μέτρηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών του νερού μετά από οικιακή χρήση για να ελέχθη η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησής του. Εκτελέστηκαν σειρές πειραματικών μετρήσεων όπως και στα προηγούμενα στάδια για προσδιορισμό τιμών συγκέντρωσης ιόντων Αμμωνίου, Νιτρικών ιόντων, Nιτρώδων ιόντων, Φωσφορικών ιόντων και μέτρησης πε-χα. Στην Εικόνα 2 παρουσιάζεται η μέτρηση pH δείγματος με πεχάμετρο και πεχαμετρικό χαρτί.

Τα δείγματα που αναλύθηκαν αποτελούνταν:

Α. από νερό στο οποίο είχε προστεθεί ποσότητα σαπουνιού (σαπουνόνερο),

Β. σαπουνόνερο το οποίο είχε διηθηθεί- φιλτραριστεί με τα καλύτερα φυσικά φίλτρα.

Τα πειραματικά αποτελέσματα καταγράφηκαν και αξιολογήθηκαν, όπως φαίνεται στον πίνακα 1.

	Νερό βρύσης	Σαπουνόνερο	Φιλτραρισμένο νερόΦίλτρο με πάνω στρώμα  βότσαλα κάτω στρώμα άμμο	Φιλτραρισμένο νερόΦίλτρο με πάνω στρώμα  άμμος κάτω στρώμα  βότσαλα
Αμμώνιο ()	0.2 mg/L	0.2 mg/L	3 mg/L	0.75 mg/L
Σκληρότητα	Medium Hard	Fairly Hard	Very Hard	Very Hard
Νιτρικό ιόν ()	1 mg/L	1 mg/L	0 mg/L	1 mg/L
Νιτρώδες ιόν ()	0.1 mg/L	0 mg/L	0 mg/L	0.05 mg/L
Φωσφορικό ιόν ()	0.5 mg/L	0 mg/L	0.25 mg/L	0.1 mg/L
pH(πε-χα)	7.4	8.3	7.3	7.8

 Πίνακας 1: Αποτελέσματα πειραματικών μετρήσεων

Συμπεράσματα

Στόχος της παρούσας έρευνας είναι αξιολόγηση της ποιότητας του νερού οικιακής χρήσης μετά από φιλτράρισμα. Στο σχολικό εργαστήριο έγινε χημική ανάλυση του νερού της βρύσης και μετρήθηκε η σκληρότητα, η συγκέντρωση ιόντων Αμμωνίου (), Νιτρικών ιόντων (), Nιτρώδων ιόντων () και Φωσφορικών ιόντων ().  . Στη συνέχεια δημιουργήθηκαν δύο φίλτρα από ηθμό και φυσικά υλικά (άμμο και βότσαλα), σε διαφορετικές στρώσεις και ελέγχθηκαν μέσω πειραμάτων τα χαρακτηριστικά του νερού μετά το εκάστοτε φιλτράρισμα.

Επιπροσθέτως, καταγράφηκε και αξιολογήθηκε η επίδραση του κάθε φιλτραρίσματος στο pH και τη σκληρότητα του νερού, ενώ έγιναν και αναλύσεις αγωγιμότητας, θολότητας και διαλυμένων στερεών με χρήση αισθητήρων Arduino.

Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τη θετική επίδραση του φιλτραρίσματος στην ποιότητα του νερού όσον αφορά το πε-χα. Ωστόσο η άμμος και τα βότσαλα συλλέχθηκαν από παραθαλάσσια αγροτική περιοχή. Εκτιμάται ότι η αύξηση της σκληρότητας πιθανόν οφείλεται στα θαλάσσια άλατα. Παράλληλα η αύξηση της συγκέντρωσης ιόντων αμμωνίου, Nιτρώδων Ιόντων και  Φωσφορικών Ιόντων σχετίζεται με το γεγονός ότι τα νερά της περιοχής έχουν μεγάλη ποσότητα των συγκεκριμένων ιόντων εξαιτίας της χρήσης λιπασμάτων. Το κύριο συμπέρασμα είναι ότι στη σημερινή πραγματικότητα της επισφαλούς διαθεσιμότητας και βιώσιμης διαχείρισης του νερού, η προσέγγιση της επαναχρησιμοποίησης του οικιακού νερού μετά από φιλτράρισμα μπορεί να αποτελέσει μια διαδικασία αειφόρου διαχείρισης των υδάτινων πόρων. Προτείνεται, προκειμένου να αποκτήσουμε μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα, να επαναληφθούν τα πειράματα με το φιλτράρισμα του νερού με άμμο και βότσαλα από διαφορετικές περιοχές ή με φίλτρο από εργαστηριακά υλικά. Αυτό θα επιτρέψει να έχουμε μία πιο ολοκληρωμένη εικόνα για αποτελεσματικότητα των φίλτρων μας.

Βιβλιογραφία

Λιοδάκης, Σ., Γάκης, Δ., Θεοδωρόπουλος,Δ.,  Θεοδωρόπουλος,Π., Κάλλης, Α. (2018). Χημεία Γ΄Λυκείου, Σελίδες 146-147, ΙΤΥΕ.

Νάκου, Κ. (2015), Ολική σκληρότητα και χλωριόντα του νερού στις νησιωτικές περιοχές, Διπλωματική Εργασία, Παν/μιο Αιγαίου, Εργαστήριο Περιβαλλοντικής Ποιότητας και Τεχνολογίας.

Πανεπιστήμιο Πατρών(2024).Ανοικτά Ακαδημαϊκά μαθήματα. Ποιότητα νερού. Κεφάλαιο 2ο Ανακτήθηκε στις 12 Σεπτεμβρίου 2024 από τη διεύθυνση: eclass.upatras.gr/modules/document/file.php/CIV1594/Εργαστήριο%20καθαρισμού%20Νερού/Καθαρισμός_Νερού_Κ2.pdf.

David L. (1999), Review of Phosphorus Control Measures in the United States and Their Effects on Water Quality,  U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 99-4007, Page 4

Encyclopaedia Britannica, Science & Tech: Nitrite Chemical Compound. Ανακτήθηκε στις 12 Σεπτεμβρίου 2024 από τη διεύθυνση: https://www.britannica.com/science/nitrite.

Environmental Protection Agency. (2023, June 9). Indicators: Phosphorus. EPA. Ανακτήθηκε στις 12 Σεπτεμβρίου 2024 από τη διεύθυνση: https://www.epa.gov/national-aquatic-resource-surveys/indicators-phosphorus.

Kiddle Encyclopedia, Nitrate Facts for Kids. Ανακτήθηκε στις 12 Σεπτεμβρίου 2024 από τη διεύθυνση: https://kids.kiddle.co/Nitrate.

Kiddle Encyclopedia, Nitrite Facts for Kids. Ανακτήθηκε στις 12 Σεπτεμβρίου 2024 από τη διεύθυνση: https://kids.kiddle.co/Nitrite.

KnowYourH2O. (n.d.). Phosphates in the environment. KnowYourH2O. Ανακτήθηκε στις 12 Σεπτεμβρίου 2024 από τη διεύθυνση: https://www.knowyourh2o.com/outdoor-4/phosphates-in-the-environment.

MDPI. (2021). WaterPhosphorus Removal from Wastewater: The Potential Use of Biochar and the Key Controlling Factors. MDPI. Ανακτήθηκε στις 12 Σεπτεμβρίου 2024 από τη διεύθυνση: https://www.mdpi.com/2073-4441/13/4/517.

National Library of Medicine (2024),National Centre of Biotechnology Information: Nitrate Ανακτήθηκε στις 12 Σεπτεμβρίου 2024 από τη διεύθυνση:   https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/943.

Nowack B., Stone A.(2006). Competitive adsorption of phosphate and phosphonates onto

goethite. Water Research. Volume 40.

Radu,G. Racoviteanu,G. (2021). Removing ammonium from water intended for human consumption. A review of existing technologies. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 664.

Shiklomanov, A. (2000) Appraisal and assessment of world water resources, Water International, Volume 25, 2000 – Issue 1, Pages 11-32

Ward, M. H., Jones, R. R., Brender, J. D., de Kok, T. M., Weyer, P. J., Nolan, B. T., Villanueva, C. M., & van Breda, S. G. (2018). Drinking water nitrate and human health: An updated review. International Journal of Environmental Research and Public Health, 15(7), 1557.