Zanieczyszczenia wody i sposoby ich usuwania

Woda jest jednym z podstawowych elementów przyrody i ze względu na swoje wyjątkowe właściwości odgrywa bardzo istotną rolę w jej gospodarce. Jest doskonałym rozpuszczalnikiem, znacznie lepszym od innych cieczy. Woda idealnie czysta jako zbiór cząsteczek H 2 O praktycznie nie istnieje. Nawet uzyskiwana w warunkach laboratoryjnych woda o bardzo wysokim stopniu czystości zawsze zawiera niewielką ilość substancji rozpuszczonych. Rozwój chemii analitycznej w ostatnich latach przyczynił się do wykrycia jej śladowych zanieczyszczeń. Oczywiście, inne zanieczyszczenia (substancje rozpuszczone) znajdują się w wodach naturalnych, a inne w wodzie przeznaczonej do picia, która podlega procesowi oczyszczania i uzdatniania.

W wodzie zachodzą nieustanne reakcje chemiczne między substancjami rozpuszczonymi; poczynając od prostych reakcji typu kwas-zasada czy reakcji hydrolizy, a kończąc na skomplikowanych procesach redoks i kompleksowania. Ważnym procesem w wodach powierzchniowych są również przemiany biologiczne i biochemiczne zachodzące z udziałem mikroorganizmów. Mikroorganizmy uczestniczą w większości procesów utleniająco-redukujących, głównie związków siarki, azotu, żelaza i manganu, w rozkładzie substancji organicznych oraz biotransformacji niektórych elementów śladowych, np. metylacji rtęci. Skład wody ulega więc ciągłej zmianie.

Stężenia substancji rozpuszczonych, występujących w wodach powierzchniowych, wynoszą od kilku ng/m 3 do kilkuset mg/m 3 . Do najczęściej spotykanych składników wód naturalnych należą:

domieszki stałe - glina, piasek, iły, nierozpuszczone części gleby, humusy, organiczne odpady (bakterie, pleśń),

rozproszone koloidy - krzemiany, SiO 2 , wodorotlenki glinu, żelaza i manganu,

zdysocjowane sole - głównie kationy sodu, potasu, wapnia, magnezu, cynku, żelaza i manganu, kation amonowy i wodorowy oraz, w mniejszych ilościach - kationy metali ciężkich. Spośród anionów są to zazwyczaj węglany, chlorki, siarczany i siarczki oraz fosforany,

domieszki gazowe - głównie tlen, azot, dwutlenek i tlenek węgla, amoniak, siarkowodór, metan i gazy szlachetne.

Analiza chemiczna wody nie jest sprawą prostą. Wymaga nie tylko skomplikowanej i drogiej aparatury specjalistycznej (szczególnie do oznaczania śladowych ilości zanieczyszczeń), ale również dobrze przeszkolonego personelu. Już samo pobieranie, przygotowanie i przechowywanie próbek wody ma zasadnicze znaczenie w otrzymywaniu prawidłowego wyniku przeprowadzonych analiz. Każda próbka powinna mieć dostateczną objętość, pozwalającą na przygotowanie z niej odpowiedniej ilości próbek laboratoryjnych niezbędnych do określonych analiz fizyko-chemicznych, oraz być w pełni reprezentatywna i wykazywać niezmienialność cech charakterystycznych dla badanej wody. Do pobierania próbek i ich przechowywania konieczne są specjalne naczynia i przyrządy, które muszą spełniać określone normy.

Analiza wody polega na określeniu jej właściwości fizycznych oraz chemicznych. Fizyczne właściwości wody to: temperatura, barwa, mętność, zapach i smak. Do rutynowych i stosunkowo prostych pomiarów właściwości chemicznych wody należy: określenie odczynu pH, zbadanie przewodności wody, jej twardości oraz zawartości dwutlenku węgla i rozpuszczonego tlenu. Oznaczenie metali, szczególnie tych, których już niewielka ilość jest silnie toksyczna (metale ciężkie - ołów, kadm, rtęć), wymaga drogiej aparatury (np. atomowy spektrograf absorpcyjny lub emisyjny ze wzbudzeniem plazmowym) oraz dokładnej mineralizacji próbki (usunięcia z niej związków organicznych). Innym, bardzo ważnym problemem jest określenie zawartości związków organicznych, takich jak: fenole, benzeny (silnie kancerogenny benzo- a -piren), pestycydy, detergenty itp. Pełną analizę tych związków może wykonać tylko w laboratorium wyposażonym w dobry chromatograf gazowy i cieczowy (HPLC). Pełna analiza wody obejmuje również badanie bakteriologiczne.

Woda przeznaczona do picia i na potrzeby gospodarcze musi spełniać podstawowe warunki sanitarno-epidemiologiczne. Powinna być klarowna, bezbarwna, bezwonna, nie może zawierać składników trujących, ani też nadmiernych ilości związków żelaza, magnezu i wapnia (odpowiednia twardość wody) oraz manganu. Nie powinna również zawierać bakterii chorobotwórczych, pasożytów zwierzęcych ani ich larw i jaj. Niemal wszystkie wody naturalne, przed ich wykorzystaniem do picia oraz na potrzeby gospodarcze czy przemysłowe muszą być odpowiednio przygotowane, co uzyskuje się w procesach ich oczyszczania. Ze względu na to, iż zwiększa się rodzaj zanieczyszczeń występujących w wodach naturalnych, oraz możliwość powstawania zanieczyszczeń "wtórnych" podczas oczyszczania, skuteczne układy technologiczne często muszą być bardzo rozbudowane.

Procesy stosowane do oczyszczania wody można podzielić na: fizyczne, chemiczne i biologiczne. Najważniejsze procesy fizyczne to: napowietrzanie i usuwanie szkodliwych gazów (H 2 S, CH 4 , CO 2 i inne), koagulacja oraz sedymentacja i flotacja, filtracja oraz sorpcja na węglu aktywnym. Procesy chemiczne to przede wszystkim utlenianie chemiczne, które jest stosowane w celu usuwania związków barwnych oraz powodujących smak i zapach wody (utlenianie związków organicznych, żelaza, manganu itp.). Utleniaczami najczęściej wykorzystywanymi w technologii wody są: chlor, ozon, dwutlenek chloru i nadmanganian potasu. Zastosowanie chemicznego utleniania jest celowe tylko wówczas, jeżeli nie prowadzi do powstania produktów bardziej szkodliwych niż substraty. Jednym z ostatnich etapów oczyszczania wody jest dezynfekcja. Głównym jej zadaniem jest niszczenie mikroorganizmów obecnych w wodzie oraz zabezpieczenie wody przed wtórnym (w sieci) rozwojem organizmów żywych, głównie bakterii. Czynniki dezynfekujące to: chlor, chloraminy, dwutlenek chloru, promieniowanie UV, ozon. Najczęściej jest stosowany chlor i jego związki. Skuteczność dezynfekcji mogą zmniejszać substancje organiczne, tworząc aglomeraty z organizmami patogennymi. Chlor reaguje z substancjami humusowymi i niskocząsteczkowymi związkami organicznymi, a produktami reakcji są chlorowane związki organiczne. Powstające produkty nie mają zdolności bakteriobójczych, a zdecydowana ich większość jest w wodzie niepożądana, ponieważ są szkodliwe. Jakość wody do picia może się również pogorszyć na skutek starych instalacji wodociągowych w wielu domach.

Rozwój nowoczesnych metod analitycznych spowodował, że wymagania dotyczące jakości uzdatnionej wody są coraz większe, a konwencjonalne sposoby jej oczyszczania nie zawsze są w stanie nas zadowolić. Wielu konsumentów stosuje więc dodatkowe metody oczyszczania wody. Jedną z najbardziej skutecznych jest metoda odwróconej osmozy.

Teoretyczną podstawą tego procesu jest zjawisko osmozy polegające na transporcie rozpuszczalnika przez membranę półprzepuszczalną, tzn. przepuszczalną dla rozpuszczalnika, a nieprzepuszczalną dla substancji rozpuszczonych. Jeżeli membrana oddziela roztwory o różnym ciśnieniu osmotycznym, osmotyczny przepływ rozpuszczalnika do roztworu o większym stężeniu będzie zachodził aż do momentu uzyskania równowagi osmotycznej. Przyłożenie ciśnienia zewnętrznego (wyższego od ciśnienia osmotycznego) po stronie roztworu bardziej stężonego spowoduje przepływ rozpuszczalnika w kierunku przeciwnym do naturalnie osmotycznego, tzn. rozpuszczalnik będzie przepływał przez membranę z roztworu bardziej stężonego do rozcieńczonego.

Procesy membranowe, do których należy również metoda odwróconej osmozy, są technikami pozwalającymi na separację zanieczyszczeń na poziomie molekularnym lub jonowym. Są to procesy nowe, a ich szybki rozwój obserwuje się w ostatnich dziesiątkach lat. Należy podkreślić, że nie wymagają one dawkowania chemikaliów oraz nie powodują transformacji zanieczyszczeń, dlatego więc coraz częściej są wykorzystywane w nowoczesnych metodach otrzymywania czystej wody do celów konsumpcyjnych.

dr Halina Podsiadły
pracownik naukowo-dydaktyczny
Uniwersytetu Wrocławskiego