1. Zasoby wodne, ilość słodkiej wody

Zasoby wodne Ziemi wynoszą 1,386 mln. km3

Ledwie 0.649 % całej dostępnej wody morze być wykorzystane jako woda słodka- pitna.

2. Obieg wodny, etapy

• Obieg wody nie ma punktu początkowego, ale możemy prześledzić cały cykl poczynając od oceanu. Siłą napędową procesu obiegu wody jest Słońce. Podgrzewa ono wodę w oceanie, ta zaczyna parować i w postaci pary unosi się nad oceanem.

• Wznoszące prądy powietrzne przenoszą parę wyżej, do atmosfery, gdzie niska temperatura wywołuje proces kondensacji, powstają chmury.

• Poziome prądy powietrzne, z kolei, przenoszą chmury wokół globu ziemskiego. Drobne cząsteczki wody w chmurach zderzają się ze sobą, powiększają swoją masę i w końcu, w postaci opadu spadają na ziemię.

• Opadem może być śnieg, który gromadząc się na powierzchni Ziemi z czasem przekształca się w pokrywę lodową i lodowce. Te ostatnie mogą zatrzymać zamrożoną wodę na tysiące lat. W cieplejszym klimacie pokrywa śnieżna zwykle wiosną roztapia się.

• Część wód opadowych i roztopowych spływa po powierzchni ziemi, tworząc odpływ powierzchniowy. Dociera do rzek i jako przepływ rzeczny podąża w stronę oceanu. Woda spływająca po powierzchni lub przesiąkająca w głąb zasila jeziora słodkiej wody.

• Znaczna część wody przesiąka, infiltruje do gruntu. Woda utrzymująca się stosunkowo blisko jego powierzchni tworzy odpływ gruntowy, zasilający wody powierzchniowe (i ocean).

• Część wód gruntowych znajduje ujście na powierzchni Ziemi, gdzie pojawia się w postaci źródeł słodkiej wody.

• Płytkie wody gruntowe wykorzystywane są przez system korzeniowy roślin. W roślinach woda transpirowana jest przez powierzchnię liści i z powrotem przedostaje się do atmosfery.

• Część wody infiltrującej do gruntu przesiąka głębiej, zasilając warstwy wodonośne (nasycone wodą warstwy gruntu), które magazynują ogromną ilość słodkiej wody przez długi czas. Jednak po jakimś czasie woda ta dotrze do oceanu, gdzie cykl obiegu wody kończy się.

3. Woda wirtualna- co ją zwiększa w produkcie finalnym

• Uprawa roślin o dużym zapotrzebowaniu na wodę (ryż)

• Transport produktów na duże odległości

• Skomplikowany, wieloetapowy i energochłonny proces uzyskiwania produktu finalnego (produktu o dużym stopniu przetworzenia)

• Długotrwały proces hodowli (uzyskanie wołowiny wymaga średnio 3 letniego okresu hodowli)

• Proces produkcji który wymaga użycia wielu środków chemikaliów i mocno zanieczyszcza wodę

• Wytwarzanie bardzo skomplikowanych dóbr (samochód)

• Niepotrzebne, energochłonne wytwarzanie zbyt skomplikowanych opakowań

4. Ślad wodny - niebieski, zielony, szary

Zielony ślad wodny .

Objętość wody deszczowej użytej do produkcji. Szczególnie istotne w przypadku produktów rolnych i leśnych, Składa się na nią woda odparowująca (transpiracja) z plantacji plus zawarta w tkankach roślin.

Niebieski ślad wodny .

Wykorzystana do wytworzenia produktów i usług objętość wody powierzchniowej bądź gruntowej.W jej skład wchodzi woda odparowana oraz zawarta w produkcie. Objętość oblicza się uwzględniając tę wodę pobraną ze zlewni, która do niej lub innej zlewni (np. morza) nie powróciła.

Szary ślad wodny .

Szary ślad wodny jest wskaźnikiem zanieczyszczenia wody w związku z procesem produkcyjnym. Jest obliczany jako objętość wody niezbędnej do rozcieńczenia zanieczyszczeń do poziomu przy którym może być użytkowana zgodnie z normami.

5. Kraje, regiony o największym śladzie wodnym

Największy ślad wodny:

• Zielony - USA, Indie, Chiny, Indonezja, Europa, Ameryka Łacińska, wschodnia i centralna część Afryki (okolice Wybrzeża Kości Słoniowej), południowa część Brazylii i północna Argentyny

• Niebieski - USA, Indie, Chiny, Indonezja, Europa, Ameryka Łacińska, południowo-wschodnia Australia, południowa Afryka, wschodnie i zachodnie wybrzeże Ameryki Południowej

• Szary - USA, Indie, Chiny, Indonezja, Europa, Ameryka Łacińska,

6. Fizyczne własności wody - przykłady anomalii

• Gęstość wody, która ma największą wartość w temperaturze +3,98°C. Ze wzrostem i spadkiem temperatury maleją asocjacje wody, a wraz z nimi stopniowo zmniejsza się gęstość wody.

• Zwykle ciecze zmniejszają objętość przy zamarzaniu i powiększają przy parowaniu. Gdy woda zamarza w temperaturze 0°C pod ciśnieniem atmosferycznym jej objętość wzrasta o około 9%. Przy ciśnieniu 200MPa zamarza przy -20°C i przyrost objętości wynosi nawet więcej bo 16.8%.

• Wyjątkowo wysoka temperatura wrzenia. Wcale nieoczywistą cechą wody jest jej zdolność bycia cieczą. Cząsteczki analogów wody z okresowego układu pierwiastków Mendelejewa, czyli wodorków (H2S, H2Se, H2Te) są istotnie cięższe, natomiast w tych samych warunkach znajdują się w stanie gazowym.

• Wyjątkowo wysoka pojemność właściwa (pojemność cieplna). Pojemność właściwa wody wynosi c = 4,19 kJ/kgK. Jest to wartość najwyższa spośród wszystkich innych występujących wolno substancji. Lód i para wodna mają wartość c dwa razy mniejszą od wody, mimo że dla wszystkich innych substancji topnienie prawie nie zmienia wartości pojemności cieplnej.

• Niska ściśliwość wody, która wynika z obecności silnych wiązań wodorowych.

• Prędkość dźwięku rośnie z temperaturą (aż do maximum przy 74°C). W typowych cieczach prędkość dźwięku maleje wraz ze wzrostem temperatury.

• Właściwa pojemność cieplna każdej substancji rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Wykres zależności pojemności właściwej wody od temperatury posiada minimum przy temperaturze około 37⁰C.

• Zdolność do zwiększania swojej objętości przy zamarzaniu, co rożni ją od innych substancji.

• Lepkość wody zachowuje się inaczej niż normalnej cieczy: znacznie zmniejsza się przy obniżaniu ciśnienia w zakresie temperatur poniżej 30⁰C, lecz w miarę podnoszenia ciśnienia zależność przechodzi przez minimum i rozpoczyna się jej trend wzrostowy.

• Woda posiada duże wartości napięcia powierzchniowego

7. Budowa cząsteczki wody - moment dipolowy

Zmierzona wartość momentu dipolowego wody wynosi p = 6,2x1—30Cm. Długość dipola d= 3,9*10^-12m. Odległość ładunków (0,0039nm) jest mała w porównaniu z promieniem atomu.

8. Wiązanie wodorowe

Częściowo dodatni atom wodoru w jednej cząsteczce wody jest elektrostatycznie przyciągany przez częściowo ujemny atom tlenu w sąsiedniej cząsteczce. Zjawisko to nazywane jest wiązaniem wodorowym. Jest dłuższe i znacząco słabsze od wiązania kowalencyjnego O-H.

9. Dysocjacja (jonizacja) wody

• Dysocjacja jest procesem w którym cząsteczki rozpadają się na jony (aniony i kationy).

• Woda Dysocjuje nieznacznie (słaby elektrolit).

• Woda jest w stanie dynamicznej równowagi w której cząsteczki H2O dysocjują w H3O+ (jon hydroniowy) i OH- (jon wodorotlenkowy) i ponownie powracają do pierwotnej postaci.

• Autojonizacja zachodzi rzadko. Proces jest odwracalny. Woda jest mieszaniną cząsteczek obojętnych i jonów. Ilość tych ostatnich jest śladowa.

10. Typy mieszanin

• Roztwór

• Koloid

• Zawiesina

11. Roztwór, koloid, zawiesina

Roztwór jest nierozdzielającą się w długich okresach czasu mieszaniną dwóch lub więcej związków chemicznych. Substancja rozpuszczana jest całkowicie rozbita na pojedyncze jony lub cząstki.

Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy, roztwór koloidalny) -niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej i nie da się cząstek rozróżnić gołym okiem, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.

Zawiesina - układ niejednorodny, dwufazowy, w postaci cząstek jednego ciała rozproszonych (faza rozproszona) w drugim ciele (faza rozpraszająca), np. cząstek ciała stałego w gazie lub cząstek cieczy w cieczy. Cząsteczki te są na tyle duże, że poddają się wpływowi grawitacji i opadają.

12. Solwatacja

Solwatacja - otaczanie cząsteczek rozpuszczanego związku chemicznego przez cząsteczki rozpuszczalnika. Solwatacja występuje zwykle w rozpuszczalnikach silnie polarnych zwłaszcza, gdy rozpuszczany związek też ma silne własności polarne lub posiada wiązania jonowe. Otoczka ta - zwana otoczką solwatacyjną powstaje na skutek słabych oddziaływań elektrostatycznych.

Jeśli rozpuszczalnik to H20 solwatacja = hydratacja (uwodnienie).

13. Czynniki wpływające na rozpuszczalność

• Temperatura

• Biegunowość

• Ciśnienie (nie gra roli dla ciał stałych i cieczy)

• Wielkość cząsteczki

• Mieszanie zwiększa szybkość rozpuszczania

• Powierzchnia substancji rozpuszczanej

14. Koloidy hydrofobowe i hydrofilowe

Koloidy hydrofobowe o małym wzajemnym powinowactwie obu faz są zwykle pochodzenia organicznego . Są odpowiedzialne za barwę wody. Aby otrzymać koloidy hydrofobowe należy wydatkować pracę, dlatego układy te są termodynamicznie nietrwałe — czynnikiem stabilizującym je jest gł.

ładunek elektr. powstający w wyniku adsorpcji jonów elektrolitu na powierzchni cząstek, co prowadzi do uzyskania przez nie jednoimiennego ładunku i powoduje odpychanie się cząstek (do koloidów tego rodzaju należą m.in. zole metali, ich soli i wodorotlenków). W związku z tym ich agregacja nie jest możliwa.

Koloidy hydrofilowe , w których między cząstkami fazy rozproszonej i

cząsteczkami fazy rozpraszającej występuje duże powinowactwo, mają zwykle pochodzenie mineralne. Ulegają one solwatacji (uwodnieniu) uzyskując w ten sposób stabilność termodynamiczną; ich tworzenie nie wymaga wydatkowania pracy (tworzące je substancje rozpuszczają się samorzutnie w ośr., w stosunku do których wykazują powinowactwo, np. żelatyna w wodzie).

15. Samooczyszczanie się wód

Na samooczyszczanie składają się następujące procesy:

Rozcieńczanie zanieczyszczeń wodą odbiornika i mieszanie. Zjawisko to zachodzi intensywnie w wodach płynących. Przepływ wody i związane z tym mieszanie jej warstw, zapewnia lepsze natlenienie, ewentualną dyfuzję lotnych produktów przemiany materii (dwutlenek węgla i azot) z wody do atmosfery, oraz zapewnia lepszy kontakt substratów z komórkami mikroorganizmów. Ten ważny czynnik odróżnia wody płynące od zbiorników stojących (np. jeziora).

Sedymentacja (osadzanie) zawiesin, powodująca zmniejszenie zanieczyszczeń organicznych. Zjawisko to zachodzi na odcinkach i miejscach rzeki o zmniejszonej prędkości przepływu wody oraz w zbiornikach retencyjnych, rozlewiskach, zatokach. Widocznym efektem sedymentacji jest zmniejszenie mętności wody.

Adsorpcja (wiązanie się cząsteczek na granicy faz fizycznych). Proces ten polega na zatrzymaniu zanieczyszczeń chemicznych (głownie związków organicznych) na powierzchni dna i brzegów, roślinności wodnej, konstrukcji hydrotechnicznych i na innych ciałach stałych znajdujących się w wodzie. Na powierzchniach tych mogą powstawać błonki biologiczne, w których zachodzi rozkład zanieczyszczeń, podobnie jak przy oczyszczaniu ścieków na złożach zanurzonych.

Biologiczne usuwanie zanieczyszczeń (najważniejszy etap samooczyszczania wód) przebiega następująco:

- biosorpcja - wstępny rozkład substancji. Polega na przyleganiu związków

chemicznych do powierzchni komórek żywych. Wówczas do wnętrza komórki mogą wnikać związki chemiczne.

- mineralizacja - polega na enzymatycznym rozkładzie związków organicznych

do prostych związków mineralnych (m.in. CO₂, H₂O, jony azotanowe i fosforanowe). W mineralizowaniu zanieczyszczeń organicznych uczestniczą

przede wszystkim bakterie, a także sinice, glony i grzyby. Rozkład cząsteczek

organicznych zachodzi na ogół wewnątrz komórki. Tylko związki wielocząsteczkowe ( np. białka, celuloza) są hydrolizowane poza nią, a dopiero produkty rozkładu przenikają do wnętrza komórki, gdzie są utleniane.

Wymiana substancji lotnych pomiędzy wodą a atmosferą.

Wymiana substancji między dnem i wodą (wytrącanie się pewnych soli i osadzanie na dnie zbiornika i odwrotnie, oddawanie produktów metabolizmu drobnoustroju z dna do wody). Na intensywność procesów oczyszczania mają

wpływ czynniki ekologiczne takie jak liczebność i jakość występujących populacji,

dostępność tlenu, temperatura, odczyn wody, związki toksyczne i radioaktywne.

16. Najczęściej spotykane składniki w wodach naturalnych

• kationy: wapnia Ca⁺² sodu Na⁺ magnezu Mg⁺²

• aniony: węglanowe HCO₃^-, siarczanowe SO₄^-2, chlorkowe Cl^-,

• krzemionka SiO₂

17. Charakterystyka klas jakości wód powierzchniowych

klasa I (stan bardzo dobry)

Bardzo dobry stan wód oznacza, że elementy biologiczne mają charakter naturalny, niezakłócony lub nieznacznie zakłócony, a elementy fizyczno-chemiczne i hydromorfologiczne nie wykazują wpływu człowieka lub wykazują niewielki wpływ. W przypadku zanieczyszczeń syntetycznych oznacza to, że ich poziom powinien być niewykrywalny lub bliski zeru.

Klasa II (stan dobry)

Dobry stan wód oznacza, że występują jedynie niewielkie odchylenia od charakteru naturalnego. W przypadku zanieczyszczeń syntetycznych i niesyntetycznych oznacza to, że ich poziom nie powinien przekraczać stężeń określonych z wykorzystanie danych o toksyczności ostrej i chronicznej. Struktura biocenoz i chemizm wód powinny niewiele odbiegać od warunków naturalnych, mogą natomiast występować zaniki pewnych grup i klas wiekowych ryb (ze względu na pewne utrudnienia w rozmnażaniu).

Klasa III (stan umiarkowany)

Umiarkowany stan wód oznacza, że występują umiarkowane odchylenia od charakteru naturalnego. Mogą występować stałe zakwity glonowe od czerwca do sierpnia, a także duże skupiska bakterii, wpływając negatywnie na rozwój pozostałych biocenoz. Biocenozy roślinne, glonowe i ryb odbiegają od stanu naturalnego w nieznacznym stopniu. W populacjach ryb jest zaburzona struktura wiekowa.

Klasa IV (stan słaby)

Słaby stan wód oznacza, że występują znaczne odchylenia od charakteru naturalnego. Występują zbiorowiska organizmów inne niż występowałyby w warunkach niezakłóconych.

Klasa V (stan zły)

Zły stan wód oznacza, że występują poważne odchylenia od stanu naturalnego. Znaczna część populacji typowych dla stanu niezakłóconego w ogóle nie występuje.

18. Klasyfikacja wody pitnej

kategoria A1 - woda wymagająca prostego uzdatniania fizycznego (filtracja, dezynfekcja).

kategoria A2 - woda wymagająca typowego uzdatniania fizycznego i chemicznego (utlenianie wstępne, koagulacja, flokulacja, dekantacja, filtracja, dezynfekcja z chlorowaniem końcowym).

kategoria A3 - woda wymagająca wysokosprawnego uzdatniania fizycznego i chemicznego (utlenianie, koagulacja, flokulacja, dekantacja, filtracja, adsorpcja na węglu aktywnym, dezynfekcja przez ozonowanie lub chlorowanie końcowe).

19. Wskaźniki jakości wody (fizyczne, chemiczne, biologiczne)

Fizyczne - temperatura, zapach(oraz smak), barwa, zawiesiny ogólne(mętność, przezroczystość), odczyn

Chemiczne - utlenialność, twardość, kwasowość, zasadowość, zawartość substancji: biogennych (związków azotu i fosforu), chlorków, siarczanów, żelaza, rozpuszczonego tlenu, ChZT (chemiczne zapotrzebowanie na tlen), dwutlenku węgla, metali ciężkich

Biologiczne - ilość chlorofilu, wskaźniki okrzemkowe, Makrofitowy Indeks Rzeczny(makrofity - wodne rośliny kwiatowe i duże glony), wskaźniki mikrobiologiczne(bakterie: Rodzaj Campylobacter, Rodzaj Escherichia, Francisella, Helicobacter pylori, Legionella)

20. Etapy uzdatniania wody pitnej - od czego zależą

Zależą od kategorii wody, jej wskaźników fizycznych, chemicznych i biologicznych, rodzaju występujących zanieczyszczeń.

21. Koagulacja, flokulacja

Koagulacja to proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze.

Flokulacja jest to końcowy etap niektórych rodzajów koagulacji tj. wypadania osadu z koloidów. Polega na tworzeniu się wiązań chemicznych między micelami, na skutek czego łączą się one w duże agregaty, które w widoczny sposób wyodrębniają się z roztworu koloidalnego tworząc osad lub mętną zawiesinę.

22. Flotacja

Celem flotacji stosowanej w oczyszczaniu wody jest rozdział fazy stałej (cząstek zawieszonych) od fazy ciekłej (wody). Flotacja może być stosowana zamiast sedymentacji, a ma to miejsce wówczas, gdy usuwane cząstki stałe mają gęstość mniejszą od wody, lub gdy różnica gęstości zawiesin i wody jest niewielka. Do zawiesin takich należą glony, silnie zdyspergowane cząstki mające strukturę kłaczkowatą oraz cząstki włókniste. Cechy takie mają zawiesiny pokoagulacyjne powstające podczas oczyszczania metodą koagulacji wód barwnych o małej mętności oraz zawierających glony. Do uniesienia (float) cząsteczek zawiesiny na powierzchnię używane jest zwykle powietrze. Powstały flotat w postaci kożucha usuwany jest mechanicznie.

23. Oddzielanie

Usuwanie zawiesin z oczyszczanej wody realizowane jest w osadnikach. Służą one do zatrzymywania zawiesin łatwo opadających, naturalnych lub wytworzonych w procesie koagulacji i chemicznego strącania związków trudno rozpuszczalnych.

• Osadniki o przepływie poziomym

• Osadniki kontaktowe

• Osadniki o przepływie pionowym

• Odsadniki odśrodkowe

• Odsadniki wielostrumieniowe

Potem woda kierowana jest na filtry.

24. Adsorpcja na węglu aktywnym

Proces adsorpcji na węglu aktywnym stosuje się przede wszystkim w celu usuwania z wody :

• mikro-zanieczyszczeń organicznych (w tym również powstających podczas chemicznego utleniania związków organicznych i dezynfekcji wody),

• związków powodujących smak i zapach

• związków chloru

• zanieczyszczeń nieorganicznych (metali ciężkich).

Węgiel aktywny, który charakteryzuje się dużą porowatością i rozwiniętą powierzchnią ziaren. Dzięki temu wykazuje on dobre własności do zatrzymywania na powierzchni ziaren, jak i w porach wnikających w głąb ziarna zanieczyszczeń. Charakteryzuje się bardzo dużą powierzchnią w przeliczeniu na jednostkę masy (500 - 2500 m2/g), dzięki czemu jest doskonałym adsorbentem wielu związków chemicznych. (Dla porównania powierzchnia kortu tenisowego wynosi około 260 m2.)

25. Dezynfekcja

Musi być dodatkowo przeprowadzona po oczyszczeniu wody aby usunąć resztę organizmów patogennych.

Fizyczne metody dezynfekcji wody

Do metod tych zalicza się: gotowanie wody, pasteryzację, zastosowanie ultradźwięków, promieni ultrafioletowych lub promieniowanie

gamma.

Metody chemiczne dezynfekcji wody

Dezynfekcja wody metodami chemicznymi polega na dawkowaniu do niej silnych utleniaczy, takich jak chlor, podchloryn sodowy, dwutlenek chloru, chloraminy, ozon, brom i jod.

26. Usuwanie żelaza

Sole żelaza hydrolizują się w wodzie stosunkowo łatwo,(woda jest napowietrzana) tworząc rozpuszczalne wodorotlenki Fe(OH)2, które następnie są utleniane rozpuszczonym w wodzie tlenem do nierozpuszczalnych i wytrącających się wodorotlenków żelazowych.

Fe(HCO3)2+H2O -> Fe(OH)2+2CO2+H2O

2Fe(OH)2+1/2O2+H2O->2Fe(OH)3 strzałka w dół

Aby dało się usuwać żelazo i mangan pH>5.

27. Usuwanie magnezu (chyba manganu)

Sole manganu są trudniejsze do usunięcia(potrzebne specjalne katalizatory).

Najlepiej jest dla pH>10, wtedy związki manganu hydrolizują na Mn(OH)2.

Przy niższych pH odmanganianie jest możliwe tylko w obecności katalizująco działających tlenków manganu.

28. Dekarbonizacja (zmiękczanie)

Dekarbonizacja wapnem, kwasem, węglanem i ługiem sodowym, fosforanami sodowymi, wapnia i sody oraz dekarbonizacja termiczna i jonitowa.

29. Filtracja membranowa

Jest to filtracja wykorzystująca zjawisko odwróconej osmozy. Umożliwia zagęszczanie wszystkich rozcieńczonych substancji i zawiesin. Odwrócona osmoza polega na selektywnym przepuszczaniu wody i zatrzymywaniu zanieczyszczeń przez półprzepuszczalną membranę.

---