Bioszféra az OTTHONunk

Átírás

1 Bioszféra az OTTHONunk (kicsit kiterjesztve) A Föld bolygó az otthonunk (mert nem csak a bioszféráját hasznosítjuk.) Dr. Kárpáti Árpád Pannon Egyetem Környezetmérnöki Intézet

2

3 A fenntartható fejlődés egyrészt olyan fejlődési folyamat (földeké, városoké, üzleteké, társadalmaké stb.), ami kielégíti a jelen szükségleteit anélkül, hogy csökkentené a jövendő generációk képességét, hogy kielégítsék a saját szükségleteiket, másrészt a környezet elhasználódásának leküzdése úgy, hogy közben ne mondjon le az emberiség sem a gazdasági fejlődés, sem a társadalmi egyenlőség és igazságosság igényeiről.

4 Bioszféra az OTTHONunk (kicsit kiterjesztve) A Föld bolygó az otthonunk (mert nem csak a bioszféráját hasznosítjuk.)

5 Kérdés: Ki a címmondat alanya? A bioszféra ugyanis a biológiai élet otthona! A Föld a bioszféra otthona Az emberiség abban egy igen későn megjelent tényező csupán, a földi évből az utolsó perc (12 ezer év) igazán az élete. Utolsó másodperc év bioszféra jelentős kirablása. Az embernek igen kevés idő kellett a látszólagos teljes uralom megszerzéséhez. Még kevesebb környezete drasztikus módosításához. Hogy bírja ki ezt maga az ember? - A bioszféra kibírja!

6 A kék bolygó

7 A bioszféra döntően a levegő, víz és talaj. (és a mesterségesen kialakított biológiai környezet) A bioszféra az ember nélkül is életképes - szárazföldek nélkül is elvolt, fejlődött - célirányosan fejlődő a biológiai formáiban - dinamikus stabilitása felmérhetetlen (mikroorganizmusoktól a növénytermesztésig) Az ipari forradalomig az embert jól elviselte Emberiség kritikus hatásai az utolsó száz évben a termelés (kihasználás) ugrásszerű növelése hasonló népszaporodás agglomeráció - nagyvárosok energiaéhség - energia monopolizálás

8 Bioszféra kialakulásának előzményei Kb. 15 milliárd éve: a Világegyetem keletkezése (Forró Univerzum hipotézis = ősrobbanás = Nagy Bumm = Big Bang elmélet) 4,6 milliárd éve: a Naprendszer kialakulása (Hoyle elmélete) A Föld mára a bioszféra folyamatai által kialakított élőhely a földi bioszféráé, benne az emberé 8

9 A Nap bolygóinak jellemzői amiért a Földnek a légkörben maradt a vize, majd teljesen elfedte a víztakaró a megszilárdult földgolyót

10 I. Ősidő (Archaikum): millió évvel ezelőtt A bolygó felszínének alakulása: Vízkondenzácó Ősóceán Őslégkör kialakulása. A hőmérséklet csökkenésével megszilárdult a földfelszín. Amikor a hőmérséklet 100 o C alá süllyedt, a vízgőz lecsapódásával kialakult az ősóceán. Az őslégkör ún. redukáló légkör volt: oxigént nem tartalmazott, fő összetevői: ammónia, metán, vízgőz, széndioxid. Az első, még felismerhető hegységképződési időszak (Katarchai).

11 Hogyan alakult ki a Föld jelenlegi bioszférája mintegy 4,6 mrd év alatt - légköre- (T kezdetektől csökkenő) - víz kondenzáció után lett 4 mrd éve - szárazulatok 1 mrd éve Prebiotikus folyamatok: - szerves anyag keletkezése - szervetlen kémiai átalakulások - szerves anyagból az élő anyag összetevői Biológiai élet lassú kifejlődése, differenciálódása, egymásra épülése

12 Anyagforgalom meghatározója a Nap sugárzása és a tengerek hőmérséklete Nap sugárzása hosszú távon állandó, a vízhőmérséklet is hamar stabilizálódott E-F ill. G-H görbék: Maximális üvegház hatással számolva, illetőleg e hatás nélkül

13

14 Földünk légköre összetételének alakulása vízének kondenzációja után - mintegy 4 milliárd éve Redukáló inert oxidáló H 2 O, H 2, N 2, CO 2 N 2, O 2 NH 3, H 2 S CH 4, N 2, CO 2 O 2 mentes Vízben NH 4 HCO 3 (tengerben előbb NH 4 + CO 2 termelés) (később O 2 termelés ugyanott alga-, ill. N 2 megkötés Cyanobaktériumok)

15

16 Szerves anyag prebiotikus keletkezése

17

18 A biológiai élet alakulása Szerves anyag mineralizálása metánná és széndioxiddá Újfajta szerves anyag termelés (cianobakter, algák) Esetlegesen ugyanez víz helyett kénhidrogénnel Algák intenzív oxigén termelése napfénnyel Oxigén mikrobiális hasznosítása (heterotrofok) Heterotrofok egyidejű széndioxid és szerves maradék termelése, utóbbi részleges lebontása az iszapüledékben (anaerob), mint a kezdeteknél Ammónium nitritté, majd nitrogénné alakítása (anammox) Kénhidrogén oxidációja szulfáttá, gipsz kicsapódása.

19 Szulfid és vas kicsapódása a tengerből: Fe 2+ + H 2 S FeS + 2 H + (víz lassú savanyodása) A szerves leves anaerob biológiai feldolgozása: anaerob MO-k szerves anyag minimális sejtprodukció + CO 2 + CH 4 + NH 4 + CO 2 kezdeti felhasználása : CO 2 + H 2 O H + + HCO 3-2 H + + CO 3 2- Ca 2+ + CO 3 2- CaCO 3 (mészkőüledék és további savanyodás) CaSiO 3 + CO 2 CaCO 3 + SiO 2

20 Vashidroxid réteg kialakulása az oxigén megjelenésével (3,8 mrd év)

21 Ősi algaszőnyeg nyomai (3,8 mrd év)

22 CO 2 biológiai hasznosítása (alga fotoszintézise) CO 2 + H 2 O + E CH 2 O + O 2 CO 2 + H 2 S + E CH 2 O + ½ O 2 + S Kén biológiai oxidációja / szulfát kicsapódása 2 S + 3 O H 2 O 2 H 2 SO 4 (biológiai) Ca SO 4 2- CaSO 4 (gipsz) Vas kémiai oxidációja 2 FeS + 5 H 2 O + ½ O 2 2 Fe (OH) H 2 S (S visszaforgatás)

23 II. Előidő (Proterozoikum): millió évvel ezelőtt Éghajlat: Általában meleg, de legalább négy jégkorszak nyomai fedezhetők fel: 2300 millió, 1200 millió, 900 millió, 700 millió évvel ezelőtt.

24 Az oxigéntermelés átalakítja az ősi bioszférát 2,5 mrd évtől 0,5 mrd évig nő az oxigénkoncentráció Oxigéntermelők producensek (algák) Algák tengerekben 3 m vízszint alatt UV alga inhomogenitás (hőmérséklet szerint) sekély vizek meghódítása alga inhomogenitás a parti vizekben lokális szerves tápanyag feldúsulás konzumensek inhomogenitása sekély vizekben differenciálódás kétéltűek kialakulása CO2 valamilyen tempójú csökkenése, fogyasztása

25

26

27

28 Földfelszín alakulása 1 mrd évvel ezelőtt: Több hegységképződés lepusztultak létrejöttek az ősmasszívumok (pajzsok). Az előidő végére négy őskontinens alakult ki: 1. Észak-amerikai tábla (Laurencia) 2. Kelet-európai tábla (Fennoszarmácia) 3. Szibériai tábla - Angara pajzs 4. Gondwana - az ősi Dél- Amerika, Afrika, Arábia, India, Ausztrália és Antarktisz.

29 Az élővilág fejlődése: kb. 1 milliárd évvel ezelőtt eukarióták megjelenése az óceánokban. Nem sokkal később a többsejtűek is megjelentek. Az előidő leggazdagabb élővilágmaradványa az Ediacara-fauna (Ausztrália). Kora millió év. Főleg csalánozók, gyűrűsférgek és ízeltlábúak alkotják.

30 Szárazföldek és meghódítása Élet a sekély tengerek iszapjában 1 mrd évtől szárazulatok, ózonréteg Ugyanettől egysejtűen megjelenése, differenciálódása 500 m évtől tengeri állatfajok gyors szaporodása 500 m évtől a szárazulatokon növények 300 mrd évtől szárazföldi állatvilág Felgyorsuló CO2 megkötés karbonkor Tengerekben mészvázas szervezetek Kontinenseken növényzet

31

32 Az élővilág fejlődése kambrium: kialakultak a moszattörzsek és a gerinctelen állatok törzsei trilobiták (háromkaréjú ősrákok).

33

34 karbon: az északi félgömbön mocsárerdők főleg fatermetű harasztokból kőszén. A kétéltűek elterjedése.

35

36 Kontinensek vándorlása, alakulása Okai a bolygók tömegvonzása - magmozgás Ugyanez okozza a vulkánizmust is (CO2, SO2) Lassú szárazulat átrendeződés égövek Kontinentális fosszilis energiahordozó termelés változása Kisbolygókkal történő ütközések Cunamik, erdőtüzek, állatvilág ugrásszerű változása

37

38 A földfelszín alakulása A triász elején még egységes Pangea elkezd feldarabolódni, a szétválás a jura és a kréta időszakban a legintenzívebb. A folyamat során megkezdődik a ma ismert kontinensek elkülönülése.

39 39

40

41

42 David Raup és John Sepkowski Jr. az utóbbi 250 millió évet átfogó földtörténeti leleteket tanulmányozta alaposan. Azt találták, hogy az irídium mennyisége az egyes rétegekben jelentősen emelkedik nagyjából minden 26. millió év tájékán. Ez szinkronban van a ciklikus fajpusztulásokkal.

43

44 Éghajlat (kvarter) 2,5 millió évvel ezelőttől máig Pleisztocén eljegesedés az északi félgömbön. Okai elsősorban Földön kívüli, csillagászati eredetűek: pl. a Föld pályájának módosulása. A jégtakaró vastagsága méter. A jégtakaró Európában az Alpok - Kárpátok vonaláig), Észak-Amerikában pedig kb. az északi szélesség 40 áig húzódott. A pleisztocén korban több hidegebb (glaciális=jégkorszak) és enyhébb (interglaciális=jégkorszakköz) időszak különböztethető meg. A jégtakaróval határos, de jéggel nem borított térségek éghajlatát, felszínformáló erőit és élővilágát a jégtakaró erősen befolyásolta, ezek a jégkörnyéki=periglaciális területek (pl. Magyarország). A jégkorszak idején csökkent a tengerek vízszintje, mert a víz jelentős része fagyott állapotban volt. Az utolsó jégkorszak kb. 10 ezer éve ért véget, azóta a jégtakaró visszahúzódott a mai helyére. A holocén korban általános felmelegedés tapasztalható (interglaciálisnak is tekinthető).

45 A Föld felszíni átlaghőmérséklete a múltban szűk tartományon belül ingadozott

46

47 Kanyon

48

49 Szűkebb térségünk alakulása Hol van Magyarország, mióta, meddig Európa közepe? Kárpát-medence közepe 200 m éve kontinens volt 25 m éve tengerfenék Alpok, Dinári hegység, Kárpátok kiemelkedése Tengerfenék feltöltődés (kiszáradás, süllyedés) Szentes-makói árok? Milyenek a fosszilis energia tartalékai kié?

50 Szűkebb környezetünk hegy és vízrajza az utóbbi tíz-húsz millió évben

51 Szűkebb környezetünk hegy és vízrajza az utóbbi három-négy millió évben

52 Szűkebb környezetünk állapotváltozása az utóbbi egy-két millió évben

53 Szűkebb környezetünk hegy és vízrajza az utóbbi ezer évben

54 Szűkebb környezetünk állapota az utóbbi ötezer évben

55

56

57 Az utóbbi tízezer év emberi fejlődése, vagy újrafejlődése Gyűjtögetés, vadászat Állattartás, tudatos növénytermesztés, Nagy-családok, törzsek, törzsszövetségek, Öntözéses gazdálkodás, népek Népek harca, rabló/hódító háborúk (bronzkor, rézkor, vaskor), vaskor 3000 éve! írás kialakulása agyagtáblák, pergament Trója - Sicambria szkíták, avarok, húnok, Attila népvándorlások, magyarok Nemzeti államok kialakulása

58 A fejlődés begyorsulása felvilágosodás, műszaki forradalom ( év) intenzív természet átalakítás, agglomeráció élelmiszertermelés és kereskedelem tőkekoncentráció kezdetei városiasodás, vízellátás, szennyvízgyűjtés / tisztítás iparszerű hulladéktermelés, hulladékfeldolgozás

59 Emberi igény /szennyezés a bioszférában nekem mindent - másoknak ami marad - mindenhol kisajátíthassuk az adottságait (gyümölcseit) - egyéni és kollektív tudat - igényeink szerint alakítsuk a bio és geoszférát? - szabadon választhassunk élőhelyet önkorlátozás (Kanada és a cigányság kérdése) - tulajdonjogok kérdése egyenlőség - korlátozott - levegő, víz, termőföld, - bármiféle egyéb források (energia)

60 Konkrétabban a forrásokról és hozzáférésükről Szabadon hozzáférhető létszükséglet igen kevés maradt: levegő, forrás és felszíni vizek, napsugárzás Korlátozottan (pénzért) hozzáférhetők: Vizek - talajvíz, rétegvíz, vezetékes víz Élelmiszerek - Felszíni vizek termékei (hal) Talaj és termékei (növényzet) Növényekből termelt állati termékek Ruházat - Növényi és szintetikus alapú Energia - Fosszilis energiahordozók (fűtés, közlekedés) szélenergia + geotermikus energia Egyetlen kivétel látszólag csak a napfény

61 Élelmiszertermelés vs megújuló energiahordozók Napi élelmiszer energia igény: 1500 kcsal/főxd Igény és termelés: cukor, szénhidrát, fehérje, növényi olaj szénhidrát + növ. fehérje > állati fehérje és zsír Termelés hulladékai szár és gyökérrészek feldolgozási hulladék - iparok felhasználási hulladék lakosság Megújuló növényi energiahordozó keményítőből bioalkohol növényi olajból biodízel maguk az erdők fatüzelés

62 Ipari élelmiszertermelés és határai Energia? Talaj és vízigény (látszólag utóbbi a kulcs!) Talaj kilúgozása - N, P, K, mikroelemek Vízkultúrás növénytermesztés (ua.) Mikroelemek fontossága Szálastakarmány, magtermés, haltenyészet Szarvasmarha ---- sertés, csirke Termelési sebesség/fajl. tápanyag-hasznosítás Hígtrágya, almos trágya, - recirkuláltathatóság Trágyaszállítás energiaigény Talajvíz szennyezés

63 Példák csatolt ipari környezetvédelmi technológiákra Energia és tápanyag állattartási hulladékból ATEV állati szerves maradékok feldolgozása Állati tápanyagok gyártása (Mars, Nestle, stb ) Trágya energia és tápanyagtartalma Mindkettő kellene a talajnak Tej és húsfeldolgozás szennyvize Anaerob energiatermelés metán Metánból villany gázmotor és dinamó Maradék komposztálása

64 Levegőszennyezés és csökkentése Tüzeléstől / közlekedéstől származó Szén por, SO2, NOx, CO, CO2 Folyékony szénhidrogén CH, CO, CO2 Gáz CO, CO2 CO2 emisszió csökkentése USA, Kína Ipari védelem Por ES porleválasztás pernye útépítés SO2 meszes mosás gipsz- építőanyag-

65

66 Talaj és növényzet a víztisztító A szint: A biológiai aktivitásban és humusztartalomban leggazdagabb szint. B szint: Csökkent biológiai aktivitás, csökkent humusztartalom jellemzi. C szint: az anyakőzet.

67 Talajerózió Talajeróziónak nevezik a csapadékvíz felszíni, ritkábban felszín alatti pusztító tevékenységét. Klasszikus értelemben a felszínen lefolyó csapadékvíz erózióját nevezték talajeróziónak. Az esőcseppek felszíni becsapódása (csepperózió), és a talajba szivárgó víz oldó hatása (oldásos erózió) is okoz eróziót, szerkezetrombolást, anyagveszteséget.

68 A talajerózió azokon a területeken pusztít elsősorban, ahol az ember kiirtotta az eredeti növénytakarót és ezáltal utat enged a víz és a szél pusztító hatásainak. A talajok pusztulásában az ember közvetlenül is részt vesz, amikor utakat, városokat, gyárakat épít. Az emberi tevékenység következtében évente mintegy 25 milliárd tonna termőtalajjal lesz kevesebb a Földön.

69 Talaj szennyezése és hatásai Növénytermesztés kapcsán Hulladékok elhelyezése kapcsán Biológiailag bonthat (bomló) szerves hulladék Inert szerves hulladék Inert szervetlen hulladék Lakossági szilárd hulladék feldolgozása kapcsán Hulladékok deponálása (ASA) miatt Hulladéklerakók csurgalékvizei (NH4, sók, vas(ii), huminvegyületek) Hígtrágya mértéktelen kihelyezése miatt

70 Lakossági vízigény és szennyvíztisztítás biztosítása Minimális vízigény 2-3 l/főxd Átlagos vízigény l/főxd Vízforrásaink: karsztvíz (Ca-Mg) gond az iparban rétegvíz Fe, Mn probléma lakosságnál parti szűrésű víz lehet igen jó! felszíni víz szerves anyag + fertőzésveszély Vezetékes vízellátás / közcsatornás szvgyűjtés Szvtisztítás: aerob biológia /anaerob iszaprothasztás Szilárd maradék komposztálása faanyaggal humusszá

71 Karsztjelenségek 4 1. Töbör (dolina) 2. Polje 3. Lápa (uvala) 4. Karrmező, ördögszántás 5. Szurdokvölgy 6. Víznyelő (ponor) 7. Barlang 8. Karsztforrás

72 A felszín alatti vizeket a kőzetrétegekhez viszonyított mélységbeli helyzetük alapján osztályozzuk: talajnedvesség talajvíz rétegvíz résvíz (karsztvíz)

73 Szennyvíztisztítás az élővizek üzemesített módszereivel Öntisztulás az élővizekben oxigénlimitáció diffúzió Anaerob bomlás iszapüledékekben Üzemesített lakossági szennyvíztisztítás csak 100 éve Eleveniszapos - térben/időben ciklikusan szerves anyag immobilizálás + nitrifikáció denitrifikáció Biofilmes mindezek a biofilm különböző rétegeiben EU előírás 271/ % BOI eltávolítás 70 % nitrogén eltávolítás 90 % foszfor eltávolítás Iszaprothasztás iszapos megoldással Intenzifikált ipari szennyvíztisztítás granulált iszappal

74 Iparosított szennyvíztisztítás LEÉ g/fő*d Szv. Konc. mg/l ( 8 x LEÉ) Q 120 l/fő*d Befogadó határérték mg/l KOI < BOI <25 SS <35 TKN <55-10 TP 2 16 <10-0,7 TS 1 8 SO

75 A lakossági szennyvíztisztítás legfőbb feladatai: Minimális költséggel maximális Szerves anyag eltávolítás minimális iszaphozammal, vagy nélküle maximális belső energia visszanyeréssel minimális kezelőtérfogatban kritikus szerves szennyezőkkel egyetemben Nitrogéneltávolítás minimális oxigén felhasználással és térfogatban Foszfor eltávolítás lehetőleg biológiai úton szükség esetén kicsapatással Maradék iszap olcsó hasznosítása esetleges iszapszárítás komposztálás és mezőgazdasági hasznosítás energetikai hasznosítás

76 Szerves anyag eltávolítás Oldott finom kolloid SS durva lebegő Sztöchimetriai összetétel: C a O b H c N d P e S f Mineralizáció: CO 2, H 2 O, NH 4 +, PO 4 3- S 2- SO 4 2- MO-n keresztül (iszapon keresztül) MO H : 1 µm heterotróf Prokarióta osztódó(élő)/elhaló Nyálkás poliszaharid réteg bioprodukt Sejtmembrán Sejtközi állomány 80% fehérje Endo és exoenzim produkció Kolóniákban együttélés eleven iszap biofilm

77 Szennyvíztisztítási példa a környezetvédelmi igény fokozódására Egyes mikroorganizmus csoportok eltérő szaporodási, osztódási sebessége Heterotrofok fél-egy óra Autorof nitrifikálók több óra-egy nap Anammox fajok nap Az igények, vagy előírások szigorodása magával vonta a tisztítótérfogatok rohamos növekedését. Példa a Veszprémi szennyvíztisztítás térfogatigénye.

78 Üzemi példa Egy hazai lakossági eleveniszapos szennyvíztisztító medencetérfogatainak alakulása a nitrogéneltávolítási igény biztosítására Év Vízhozam Tiszt igény Medencetérfogat (m 3 /d) (m 3 ) szerves anyag eltávolítás ,,- + nitrif ,,- + -,,- +denitr. +P eltáv ugyanaz Továbbá az ülepítőtérfogatok rothasztótérfogat, iszapszárító tér, szárítógáz tisztító egységek, stb. A legutolsó kiépítés a következő ábrán látható: (A fedett létesítmény a szoláris iszapszárító.)

79

80 Napjaink biol. szennyvíztisztításának alapsémája: Q be anaerob anoxikus oxikus reaktorok utóülepíto Tisztított elfolyó belso recirkuláció iszaprecirkuláció η den = 100 (R i + R b ) / (1 + R i + R b ) (%) η den = 85,7 % fölösiszap Pitás Viktória Thury Péter Kárpáti Árpád (2007) Hazai szennyvíztelepeink denitrifikációs problémái a 10 mgtn/l határérték kielégítésénél. MASZESZ Hírcsatorna (nov.-dec.)

81

82

83

84

85

86 LEÉ ~ 400 kcal/főd (szerves anyag) Oxikus immobilizáció ~200 kcal/fő*d (szennyvíziszap) Anaerob iszaprothasztás ~100 kcal/fő*d Komposztálás ~50 kcal/fő*d CO 2 + H 2 O CO 2 + H 2 O CH 4 + CO 2 Már szennyvízből is energia ( Kcal/m 3 szv) Természetes szennyvíztisztításnál mindezek kombináltan - Csak a folyadékmozgatás az energiaigény (oldott és lebegő) Energiaveszteség ΔT vízmelegítés 45 kcal elektromos 55 kcal hő

87 Az egyes bioszférák kritikus szennyezése Levegő CFx, ózon, UV (erdőirtás- O2) Víz gyógyszermaradványok ivóvíz Talaj növényvédőszerek - élelmiszerek (biol. elsivatagosodás) elégtelen és helytelen táplálkozás Emberiség - Monopolizáció fegyverkezés, energiaipar, bankok, gyógyszeripar

88 Az energia nem a jelen bioszférájának a produktuma (kivéve alább az atomenergia) Tanulság: + energiával még sokáig fenntart a Föld Fosszilis monopolizált Egyebek: napfény szél, víz, geotermikus, atom - urán működik - monopolizált - hidrogén nem működik térenergia? nem működik Meg kell oldani a biztonságos energiaellátást! Ez az önök feladata a jövőben!

89 Megoldási út Nicola Tesla energia kicsatolásai Bizonyíték: HAARP program (monopolizált) Globális háborúk, biológiai hadviselés, népirtások Egyéb kockázatok a bioszférára: Ciklikus kozmikus találkozások (ezer évente kisebb ütközések, ritkábban nagyobbak, cunamik, vízözön) Gyakrabban kisbolygók gravitációs hatásai (vulkáni tevékenység)

90 Ezen túl nagy kultúrák kihalásának leggyakoribb oka eddig azonban többnyire az élelemhiány volt, amit maguk az emberek idéztek elő Folyamvölgyek Maya, Anchor, stb A jövőben ez sokféle okból várható

91 A bioszféra ezekkel együtt a mi egyetlen otthonunk! Jobban kellene vigyáznunk rá és magunkra is! Köszönöm a figyelmüket!

92