FELSZÍNI VIZEK KÉMIAI PARAMÉTEREINEK AUTOMATIZÁL IN-SITU MÉRÉSE IN-SITU MEASUREMENT OF CHEMICAL PARAMETERS OF SURFACE WATER KONYHA József 1, FÜVESI Viktor 2 1 tudományos segédmunkatárs, konyha@afki.hu Miskolci Egyetem, Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet, 3515 Miskolc, Egyetemváros Pf. 2. 2 tudományos munkatárs, PhD, fuvesi@afki.hu Miskolci Egyetem, Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet, 3515 Miskolc, Egyetemváros Pf. 2. Kivonat: A felszíni vizeink minőségének védelméről ma már kormányrendeletek szólnak. Az Európai Unió, erre a területre szóló, szabályozásainak gyűjteménye az EU Víz Keretirányelv, melynek előírásai minden tagállamra érvényesek. Ebben a cikkben bemutatásra kerülnek a főbb irányelvek lényegi elemei és a Víz Keretirányelv szerinti vízminőség-modell is. Ezek után a felszíni vizeink kémiai paramétereinek részletes elemzésére kerül sor. Végül a szerzők bemutatnak egy egyedi fejlesztésű mérőrendszer, mely autonóm módon képes a felszíni vizek főbb kémiai paramétereinek online automatizált monitorozására. A cikkben ismertetésre kerül a rendszer felépítése, majd a tesztidőszak alatt szerzett tapasztalatok. Kulcsszavak: környezetvédelem, vízminőség, mérés-adatgyűjtés, beágyazott rendszerek Abstract: Nowadays government regulations exist in protection of surface water. The EU Water Framework Directive is a collection of the European Union regulations, which requirements applicable to all member states. In this article, the authors describe the essential elements of the EU Water Framework Directive and write about the water quality model. Later some details will be shown about the analysis of the chemical parameters of surface waters. Finally, new custom-developed measuring system will be introduced, which is capable to autonomously measure and monitor the main chemical parameters of surface water. Finally the structure of the system and some results of the experience from the test period will be described. Keywords: environment protection, water quality, measurement and data acquisition, embedded systems 1. BEVEZETÉS A víz az élet alapvető, semmivel sem pótolható feltétele, valamint az élő szervezetek nélkülözhetetlen alkotórésze. A felszínen igen változatos formában jelenhet meg a víz, egyik gyakori megjelenése a vízfolyás. Az emberek már a történelem korai szakaszában a vizek közelében készítettek maguknak lakóhelyet. A vízfolyás szolgáltatta a mezőgazdasági munkához nélkülözhetetlen vizet, később energiát adott az ipari munkához. A fejlődés során, ahogy az ember terjeszkedett, egyre több területet foglalt el a vízfolyások környezetéből. A társadalom fejlődésével az ember szokatlan, és gyors mértékben módosította a víz természetes körforgását, felborítva a vízi élet állandóságát - beleszólt annak természetes tisztulási folyamataiba - ezen felül a környezet szennyezésével lehetetlené tette az egyensúly önerőből való helyreállását, így a modern társadalmak legégetőbb feladata a környezeti problémák, kiemelten a vízszennyezés kezelése és megoldása, ami a jelen és a jövő generációi szempontjából kulcsfontosságú. A vízmonitorig jelentősége a felszíni vízkészletek mennyiségének és minőségének vizsgálata a víz állapotának folyamatos észlelése, megfigyelése annak érdekében, hogy 236
a környezeti rendszerről megszerzett ismereteinket bővítsük és határozottan tudjunk fellépni megóvása és fenntartása érdekében. 2. FELSZÍNI VIZEINK FONTOSSÁGA A víz a Föld felszíne alatt és felszínén előforduló állandó körforgásban lévő természeti kincs, amelynek mennyisége lényegesen nem változik. A víznek ősidők óta fontos szerepe volt a földi élet, a termelés és a társadalmi-gazdasági fejlődés alakulásában, annak fejlődésében. Korunk társadalmi és gazdasági élete szinte minden vonatkozásban összefügg a vízviszonyokkal. Az élet fenntartásához kifogyhatatlan készletekre lenne szükségünk, azonban Földünk édesvízkészlete sajnos véges. Mára már korunk egyik legnagyobb globális problémájává vált az ivóvízhiány. Az ENSZ előrejelzése szerint 2025-re az emberiség kétharmadának nem jut majd elegendő mennyiségű és megfelelő minőségű ivóvíz [1], [2]. A folyók, tavak, tengerek és mesterséges víztározók képezik a felszíni vizek csoportját. A felszínen összegyűlő csapadékvízből, a talajból kiszivárgó és mesterségesen kiemelt vízből tevődik össze a patakok és folyók vize. A folyóvízben mindig található szerves anyag is, mindig tartalmaz oxigént is, ami az élőlények számára nélkülözhetetlen. A folyóvizek baktériumtartalma a folyóba kerülő szerves szennyezések oldására képes. Ez a folyóvíz öntisztulását teszi lehetővé. A folyók vizét megfelelő szűrők beiktatásával ipari célra általában közvetlenül is fel lehet használni, ivóvizet a part mentén létesített ún. partszűréses eljárással nyernek. A termőkutak vizét a vezetékes ivóvízhálózatba juttatják. Az átfolyásos tavak (pl. Balaton) vize származásuk analógiája alapján is hasonló a folyóvizekhez. A lefolyástalan tavaknál (pl. Kaszpi-tó) a víz csak párolgás útján tud eltávozni, így jelentős mérvű sófelhalmozódás érzékelhető, ezek vize a tengervízhez hasonló vagy még sósabb. A Föld víztömegének zömét adó tengervíz felhasználása nagy sótartalma miatt korlátozott [3]. 2.1. Vizek minősége A vízminőség a vizek fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságainak összessége. A víz minőségének meghatározása szakszerű mintavételből, valamint helyszíni fizikai, kémiai, biológiai és bakteriológiai vizsgálatok elvégzéséből áll. A vizek szennyező anyagokkal való terhelhetőségéhez a vízmennyiség, a vízhozamok ismerete is szükséges. A vizsgálati adatok rendszerezése vezet a víz minősítése felé, amelyet természettudományos rendszerekben a sótartalom mértéke és minősége; a szennyezettség (pl. oxigénfogyasztás, öntisztító képesség); mérgezőanyag tartalom (pl. nehézfémek, cianidok); egészségügyi szempontok (pl. fertőzöttség, radioaktivitás) és sok egyéb megfontolás alapján történhet. A felszíni vizekre jellemző, hogy nagy tömegűek, magasságkülönbségből eredően mozgáskészségük jelentős, időben és térben változó mennyiségűek, utánpótlásuk gyors, erodáló és hordalékmozgató hatásuk jelentős, élőszervezet tartalmuk nagy. A vizeket a gyakorlati felhasználás minőségi követelményei alapján célszerű osztályozni: ivóvízellátásra; ipari vízhasználatra; 237
öntözésre; egyéb vízhasználatra való alkalmazás alapján [1], [4]. 2.2. Magyarország vízhelyzete Magyarország a még meg lévő, jó minőségű vízkészleteinket figyelembe véve jelenleg kedvező helyzetben van, de ennek hosszú távú megőrzése stratégiai kérdés. A vízzel való gazdálkodásunk egyik legfontosabb feladata az édesvízkészletek pontos megismerése, a vízkörforgásban lejátszódó mennyiségi és minőségi folyamatok minél pontosabb megértése. Ahhoz, hogy a jövőben is mindenkinek jusson tiszta ivóvíz, hogy megmaradhassanak a folyók és tavak, erőfeszítéseket kell tennünk vizeink megóvásáért, állapotuk javításáért. Ezt célozza meg az Európai Unió Víz Keretirányelve, amely kimondja, hogy a tagállamokban 2015-ig jó állapotba kell hozni a felszíni és felszín alatti vizeket, valamint fenntarthatóvá kell tenni ezt a jó állapotot. A vízbiztonsági terv a fenti célok teljesülése érdekében kidolgozott olyan hatékony intézkedéssorozat kell, hogy legyen, amely képes szavatolni az ivóvízellátás biztonságát a nyersvíz kitermeléstől a lakossági hálózatba táplálásig, és így az ivóvízellátás minőségirányításának hatékony eszköze lehet. Az ivóvíz-ellátási folyamat teljes vertikumának feltárásával a kritikus ellenőrzési pontok veszélyanalízis és kockázatértékelés alapján történő kijelölésével, valamint a hatékony eseménykezelési és vészhelyzet-kezelési komponensével az ivóvíz minőségének biztosításán túlmenően a vízbiztonsági terv hivatott kifejezni ugyanakkor az ivóvíz szolgáltató elkötelezettségét az ivóvízellátás biztonságának azaz veszélymentes állapotának megőrzése mellett. A vízbiztonsági terv felépítésének és tartalmi elemeinek egységes követelményrendszerét kell tehát az ajánlások és útmutatók mellett kidolgozni, aminek érdekében szükséges a jövőben a vízbiztonsági tervezés feltárt nehézségeit kiküszöbölni és így a kidolgozás egységes feltételeit biztosítani. [4], [5], [6] 2.3. Az EU Víz Keretirányelv (EU VKI) A VKI az EU vízgazdálkodásra vonatkozó legfontosabb jogszabálya, amelynek előírásait minden tagállamnak végre kell hajtania. Ezen irányelvnek az a célja, hogy keretet adjon a szárazföldi felszíni vizek, az átmeneti vizek, a parti tengervizek és a felszín alatti vizek védelmének, amely: megakadályozza a vízi ökoszisztémák, és a vízi ökoszisztémáktól közvetlenül függő szárazföldi ökoszisztémák és vizes területek további romlását, védi és javítja azok állapotát; elősegíti a hasznosítható vízkészletek hosszú távú védelmére alapozott fenntartható vízhasználatot; a vízi környezet fokozott védelmére és javítására irányul, többek között célzott intézkedések révén a veszélyes anyagok bevezetésének, kibocsátásának és veszteségeinek fokozatos csökkentésére, továbbá a különösen veszélyes anyagok bevezetéseinek, kibocsátásának és veszteségeinek megszüntetésére vagy fokozatos kivonására; biztosítja a felszín alatti vizek szennyezésének fokozatos csökkentését, és magakadályozza további szennyezésüket; és hozzájárul az árvizek és aszályok hatásainak mérsékléséhez. 238
A VKI szerint az ökológiai állapot alapján történik a felszíni vizek osztályba sorolása. A felszíni víztest állapotát az ökológiai és a kémiai állapot együttesen adja, ahogyan az 1. ábrán is látható [7]. 1. ábra. A vizek minősítése a VKI alapján [7] 3. AUTOMATIZÁLT IN-SITU VÍZMINŐSÉGVIZSGÁLÓ RENDSZEREK Felszíni vizeink jó állapotának megőrzése nem csak kötelességünk, hanem már kormányzati szintű előírások is léteznek. Ebben a fejezetben az Intézetünkben fejlesztett, automatizált, in-situ vízminőséget monitorozó rendszerek kerülnek bemutatásra. Az Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet 2010 óta több vízminőség vizsgálathoz kapcsolódó prototípus fejlesztési projektben vett részt. Első projektünk célja egy konténer alapú vízminőség monitorozó állomás kifejlesztése volt, majd ezt a koncepciót továbbfejlesztve létrehoztunk egy komplex, grid alapú vízminőség-mérő hálózatot. Az alábbiakban mindkét hálózatot részletesen bemutatjuk. 3.1. Konténer alapú vízminőség-monitoring koncepció - AVITAR A pályázat fejlesztési célja egy olyan mérőhálózat kiépítése volt, amely egységes, robotanalizátoron alapuló, korszerű mérőállomás adataihoz való hozzáférést biztosított a felhasználó részére, a megfelelő informatikai rendszeren keresztül. A vízminőségmérőállomás akkreditált üzemeltetését (akkreditált laboratórium) a szakszemélyzet és az informatikai rendszer biztosította, vagyis a rendszerközpontban a monitorozott adatok objektívan dokumentált formában álltak rendelkezésre. Ahogyan a 2. ábrán látható, a pirossal jelölt helyen került felszerelésre a robot-analizátor, az analizátor alatt a mintavevő szivattyú a kiszolgáló egységekkel, a PLC pedig a baloldalon látható szürke szekrényben került elhelyezésre. A zöld kábelcsatornába a villamos vezetékezés, a kék színű csatornába pedig a hidraulikus csövezés kapott helyet. 239
A vízpartra telepített konténer egy csövön keresztül szívta be a vizet, melyet elemzést követően a folyóba (vagy tóba) engedett vissza. A konténer GPRS kapcsolaton keresztül tartotta a kapcsolatot a központi szerverrel. 3 üzemmódot különböztettünk meg, melyek: automatikus, előre programozott mérési ciklusok végrehajtása; távoli vezérlés, GPRS kapcsolaton keresztül; helyi (kézi) vezérlés. 2. ábra. A konténer belső kialakításának 3D-s terve. A vízminőségi távmérő rendszerben egy PLC és egy PC végezte a távadók jeleinek kezelését, a szükséges vezérléseket, a kamera jelének és a vészjelzéseknek a kezelését, és nem utolsó sorban a távmérő rendszer kommunikációjának biztosítását a felső szintű rendszer felé mindkét irányban (3. ábra). Konténer, terepi eszközök Ethernet CAM1 Központ TCP/IP RS-232 GSM/GPRS MOD1 GSM/GPRS Modem Control PC1 RS-232 / Modbus PLC1 Szerver PC Robot Analizátor RA1 RS-232 3. ábra. A rendszer belső és külső kommunikációs kapcsolatai 240
A 3. ábrán mutatja a rendszer belső felépítését és az egyes rendszerelemek közti kommunikációs kapcsolatokat. A rendszerben található egy robot analizátor (RWA Muliparameter Analyser), amely egy on-line, 11 csatornás vizsgáló egység. Az RWA ammónia, nitrát, ortofoszfát fotometriás és TOC (szerves széntartalom) roncsolásos módszer szekvenciális mérésének elvégzésére alkalmas. A kifejlesztett analizátornak a szűrő nem volt része. Az RWA analizátor a lebegőanyagot a mintafelszívás során in-situ ülepítéssel távolította el, azaz a mintafelszívás sebessége kisebb az ülepedési sebességnél, így a pipetta a minta tisztáját szívta fel. A mérőegység mérési elve kolorimetria, ami fényelnyelésen alapuló analitikai módszer. A módszer fényfelbontást nem igényel, a referenciát és a mintát polikromatikus fénnyel világítjuk meg. A készülék az ismeretlen koncentrációjú színes anyag adott rétegvastagságú oldatát ugyanazon anyag ismert koncentrációjú oldatával hasonlította össze. A műszer nullázási feladatot végzett, amikor a referencia oldatot a fényútba helyezte, majd a mintát a fényútba helyezve, összehasonlítás alapján mérte a fényintenzitás csökkenését. A TOC meghatározása UV roncsolással történik. Sav hozzáadás és a szervetlen széntartalom kilevegőztetése után ismert módon peroxi-diszulfát oxidálószerrel és UVbesugárzást alkalmazva oxidálja a mintában lévő szerves komponenseket. Az oxidáció során keletkező szén-dioxidot NDIR-detektor segítségével méri [8]. 3.2. Oszlop alapú vízminőség-monitoring koncepció - GRID A rendszer célja a felszíni vizek minőségi jellemzőinek folyamatos monitorozására, online információszolgáltatásra alkalmas szenzor alapú, távvezérelhető mérőeszközökre alapozott, grid alapú mobil mérőrendszer kialakítása. A terepi vízminőség vizsgáló rendszer a következő fontosabb komponensekből áll: kommunikációs oszlop összekötő csővezeték bemerülő mérőszonda A kommunikációs oszlop feladata, hogy a mérőszondából nyert információkat továbbítsa a központ felé illetve a központból kapott méréssel kapcsolatos parancsokat teljesítse. Az összekötő csövezésnek elsődleges feladata, hogy megvédje az összeköttetést biztosító kábeleket a kommunikációs oszlop és a mérőszonda között. Bemerülő mérőszonda a benne elhelyezett érzékelők segítségével méréseket végez, majd az információkat továbbítja a kommunikációs oszlop felé, az oszlop pedig a központi szerver állomással áll kapcsolatban. A következőkben ezeknek az alegységeknek a fontosabb paramétereit tárgyalom. A főbb egységek elhelyezkedése az 4. ábrán látható. 241
4. ábra. A mérőrendszer főbb komponensei A rendszer a beépített akkumulátornak és napelemnek köszönhetően az elektromos hálózattól elszigetelten is képes működni. A moduláris bemerülő szonda maximum 6 db mérő elektróda illesztésére alkalmas. A tesztrendszerben az 1. táblázatban található mérőelektródákat illesztettük és használtuk. Vízminőségi mutató neve Szenzor gyártó és tipus Vízszint (mélység) Mercoid - SBLT2-10-40 Redox potenciál Jumo - ORP 01860676 01 0 1336 ph Hanna Instruments - HI 1001 Vezetőképesség Jumo - 1887155 01 0 1349 hőmérséklet Jumo - 1887155 01 0 1349 Oldott oxigén Aquaterra - 451-741 014/DJ/S8 Ammónium Ion Aquaterra - E-531-ise-NH4 Klorid Ion Aquaterra - E-531-ise-Cl 1. táblázat. A prototípus rendszerben használt érzékelők A rendszer pilot területe a Sajó folyó, Miskolc környéki szaka. A tesztidőszak alatt mérőoszlopokat helyeztünk ki a Sajó partjára az alábbi településeknél: Sajóecseg, Sajókeresztúr, Miskolc, Sajópetri és Ónod. A tesztrendszer közel 1 évig üzemelt és ezalatt értékes adatokat gyűjtött a térségben. Az 5. ábrán látható grafikonokon a Miskolcnál lévő oszlop mérési eredményei láthatóak 2015.04.03 2015.04.08 időszakban [9], [10]. 242
Víz mélység Nitrát ion Redox potenciál Klorid ion Vezetőképesség ph 5. ábra. A Sajó miskolci szakaszánál telepített oszlop mérési eredményei 2015.04.03 2015.04.08 ÖSSZEFOGLALÁS A kifejlesztett rendszerek olyan európai uniós pályázatok eredményei, melyeknek köszönhetően jövőbe mutató, magas hozzáadott értékű innovatív termékek jöttek létre. A mindkét bemutatott koncepciónak megvannak az előnyei és hátrányai, ezeket figyelembe véve telepítés előtt érdemes mérlegelni melyik konstrukció a legalkalmasabb az adott feladatra az adott helyszíni körülmények között. Összességében elmondható, hogy a megvalósított rendszerek elősegítheti a felszíni vízfolyások, állóvizek minőségi ellenőrzését; a folyamatos, szakszerű kontroll szinte már nélkülözhetetlen a fenntartható fejlődés elérése érdekében és nagy hatással lehet az ökológiai egyensúly megőrzésére, helyreállítására. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Dr. Ligetvári Ferenc: A vízgazdálkodás alapjai, 2011. [2] Dávidovits Zsuzsanna: A lakossági ivóvízellátás környezetbiztonsági kockázatai és a vízminősítés laboratóriumi módszerei, Védelem Online, 2011. december, [3] http://www.agr.unideb.hu/ebook/vizminoseg/a_vz_jelentsge.html (letöltve: 2016.06.14) 243
[4] Az Európai Parlament és a Tanács: 2000/60/EK irányelve (2000. október 23.) a vízpolitika terén a közösségi fellépés kereteinek meghatározásáról a Víz Keretirányelvnek (2000/60/EK) [5] Berek Tamás Dávidovits Zsuzsanna: Vízbiztonsági terv szerepe az ivóvízellátás biztonsági rendszerében, 2012. Hadmérnök [6] Rácz László István: Magyarország felszíni és felszín alatti vizeinek minősége, védelme 2014. Hadmérnök [7] Csegényi József: Felszíni és felszín alatti vizeink állapota [8] Kovács Zsófia, Kovács Szilárd, Dióssy László, Rédey Ákos: On-line Monitoring of the Water Pollution Using Robotic Water Analyser - Global Conference on Environmental Studies (CENVISU-2013), 24-27 April 2013, Antalya, Turkey [9] Csaba Vörös: Development of water quality monitoring station - The Publications of the MultiScience - XXIX. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference, 9-10 April 2015, Miskolc [10] Konyha József: Grid-based wide area water quality measurement system for surface water ICCC 2016-17th International Charpatian Conference - High Tatras, Tatranská Lomnica, Grandhotel Praha, Slovak Republic, May 29 - June 1, 2016 244