Technologie oczyszczania wody.

Źródła i jakość wody

wykorzystywanej do celów pitnych

dr hab. Irena Wojnowska-Baryła,

prof. UWM

Katedra Biotechnologii w Ochronie

Środowiska

Technologia uzdatniania wody jest dyscypliną

powstałą

z konieczności poprawy higieny i stanu sanitarnego

miast.

Pod pojęciem oczyszczania wody rozumie się

usuwanie

z niej domieszek szkodliwych i nie pożądanych do

stężeń

Dopuszczalnych.
Uzdatnianie wody jest rozumiane jako dostosowanie
właściwości wody do wymagań wynikających z jej
przeznaczenia

Technologia uzdatniania wody w opierała się na

procesach naturalnych:

• sedymentacji,

• filtracji powolnej

Wzrost zanieczyszczeń wód powierzchniowych
spowodował włączenie do systemu uzdatniania

wody

także dezynfekcji chlorem.

Znaczenie filtrów powolnych w technologii

uzdatniania wody zostało ograniczone na skutek:

• kolmatacji złóż drobno zdyspergowaną zawiesiną

w tym i organiczną,

• spadku zawartości tlenu w wodzie,

• zanikaniu korzystnych zespołów biocenozy na

złożu filtracyjnym.

Rozwój filtracji związany jest przede wszystkim z

rozwojem

wypełnień stosowanych w procesach filtracji jak i

rozwojem

procesów membranowych.

Filtrację ze względu na własności fizyczne mediów

filtracyjnych dzieli się na:

• makrofiltrację

• mikrofiltrację,

• ultrafiltrację

• nanofiltrację

• odwróconą osmozę

Intensyfikację efektu procesu koagulacji w różnych

rozwiązaniach technicznych uzyskiwano przez:

• wprowadzenie nowych koagulantów,

• flokulantów w tym polielektrolitów,

• utleniaczy,

• pylistych sorbentów,

• zmianę realizacji procesu z tzw. koagulacji

objętościowej na koagulacje powierzchniową w

osadnikach

z zawieszonym osadem i na filtrach

kontaktowych.

Miernikiem postępu technologicznego w

oczyszczaniu wody jest wykorzystywanie:

• osadników wielostrumieniowych o małej objętości

i powierzchni oraz wysokiej stabilności
hydraulicznej,

• koagulacji kontaktowej na złożach filtracyjnych

wielowarstwowych z zastosowanie koagulantów i
polielektrolitów,

• szeregowy układ komór ozonowania i biologicznie

aktywnych filtrów węglowych, zapewniających
biodegradację wielu mikrozanieczyszczeń,

• procesów membranowych w oczyszczaniu wody

odwróconej osmozy, ultrafiltracji, nanofiltracji.

Największy wpływ na rozwój technologii uzdatniania

wody miał postęp dokonany w procesach
chemicznego utleniania i adsorpcji na węglu
aktywnym.

Geneza stosowania tych procesów wynika z

dążności do biologicznej stabilności wody
uzdatnionej jak i eliminowania
mikrozanieczyszczeń głównie organicznych

.

Proces chemicznego utleniania z wykorzystaniem

chloru

i dwutlenku chloru przebiega z wytworzeniem

produktów

pośrednich takich jak: bromowany trichlorometan,

kwas

chlorooctowy.
Korzystniejszym utleniaczem jest ozon, którego

pośrednie

produkty utleniania są rozkładalne biologicznie.
Usuwanie z wody mikrozanieczyszczeń,

rozpuszczonych

związków organicznych zachodzi na biologicznie
aktywnych filtrach węglowych.

Pierwsze systemy uzdatniania wody

powierzchniowej

składają się z następujących

procesów:

• sedymentacji,

• filtracji powolnej,

• dezynfekcji chlorem

Zanieczyszczenie wód powierzchniowych

ujmowanych do celów komunalnych wymagało
stosowania:

• koagulacji,

• sedymentacji,

• filtracji pośpiesznej,

• dezynfekcji.

Wody naturalne występujące w przyrodzie dzieli się

na:

 opadowe

 powierzchniowe

 infiltrujące

 podziemne

Substancje pochodzenia naturalnego traktowane

są jako domieszki, natomiast pochodzenia

antropogenicznego jako zanieczyszczenia.

Wody opadowe są to skropliny atmosferycznej pary

wodnej

zawierające rozpuszczalne gazy- składniki atmosfery wraz

z pewną ilością tlenków azotu, amoniaku, siarki,

siarkowodoru, pyłów, dymów

Wody powierzchniowe

Jakość wód powierzchniowych zależy od:

• budowy geologicznej zlewni i wielkości kompleksu

sorpcyjnego gleb

• topografii zlewni.

• procesów wietrzenia i rozpuszczania minerałów

budujących zlewnię,

• procesów fizycznych zachodzących w środowisku w

tym: sedymentacji, sorpcji,

• procesów chemicznych w tym hydrolizy, reakcji redoks,

strącania,

• prędkości i natężenia przepływu decydujących o

wielkości wymiany między substancjami występującymi

w wodzie i zdeponowanymi w osadach,

• sposobu i stopnia zagospodarowania zlewni

wpływających na ilość i rodzaj zanieczyszczeń
doprowadzanych do wód powierzchniowych ze
źródeł punktowych i obszarowych

Domieszki i zanieczyszczenia obecne w wodach

powierzchniowych występują w formie:

• zawieszonej

• koloidalnej

• rozpuszczonej

Substancje rozpuszczone występują jako:
mineralne i organiczne

W wodach nie zanieczyszczonych dominują

ilościowo zanieczyszczenia nieorganiczne

Do podstawowych składników wód należą:
• kationy: Ca

+2

, Na

+

, Mg

+2

, K

+

, NH

4+

, Fe, Mn,

metale ciężkie (źródła zanieczyszczenia wód:
opady atmosferyczne, ścieki oczyszczone,
spływy ze zlewni, osady denne)

• aniony: HCO

3-

, SO

4-2

Cl

-

,

Substancje organiczne: pochodzenia naturalnego i

sztucznego

Związki organiczne pochodzenia naturalnego to:

• związki humusowe, które w wodach nie

zanieczyszczonych decydują o ilości związków
organicznych, o barwie, mętności, jak też są
prekursorami trichlorometanu (THM)

• produkty syntezowanie przez organizmy wodne

oraz będące ich metabolitami.

Związki organiczne pochodzenia antropogenicznego

wnoszone ze ściekami:

• białko, skrobia, celuloza. Są to najczęściej

hydrofilowe koloidy powodujące stabilizację

koloidów naturalnych,

z opadami atmosferycznymi:

• wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne

(WWA),

• chlorowane związki organiczne (ChZO) w tym

polichlorowane bifenyle (PCB

s

), głównie 3-i 4-

chlorobifenyle występujące w wodzie oraz 5-,6-

chlorobifenyle występujące w zawiesinach,

organizmach wodnych i osadach dennych

• ze spływem powierzchniowym z terenów

rolniczych dostarczane są pestycydy,

• z terenów zurbanizowanych: węglowodory

aromatyczne, alifatyczne, produkty przeróbki ropy
naftowej,

• lotne chlorowane węglowodory. Są to

zanieczyszczenia występujące w wodzie
powierzchniowej pochodzące z rozpuszczalników
organicznych lub z chlorowana wody.

Rozporządzenie Ministra Zdrowia

z dnia 29 marca 2007 r.

w sprawie jakości wody przeznaczonej do

spożycia przez ludzi

Na podstawie art. 13 ustawy z dnia 7 czerwca 2001

r.

o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym
odprowadzaniu ścieków (Dz. U. z 2006 r. Nr 123,

poz. 858)

3) Ustala trzy kategorie jakości wody, w zależności

od wartości granicznych wskaźników jakości
wody, które z uwagi na ich zanieczyszczenie
muszą być poddane standardowym procesom
uzdatniania, w celu uzyskania wody
przeznaczonej do spożycia:

kategoria A1 - woda wymagająca prostego

uzdatniania fizycznego, w szczególności filtracji
oraz dezynfekcji;

kategoria A2 - woda wymagająca typowego uzdatniania
fizycznego i chemicznego, w szczególności utleniania
wstępnego, koagulacji, flokulacji, dekantacji, filtracji,
dezynfekcji (chlorowania końcowego);

kategoria A3 - woda wymagająca wysokosprawnego
uzdatniania fizycznego i chemicznego, w szczególności
utleniania, koagulacji, flokulacji, dekantacji, filtracji,
adsorpcji na węglu aktywnym, dezynfekcji (ozonowania,
chlorowania końcowego).
4) Wymagania, jakim powinny odpowiadać kategorie
jakości wody A1-A3, określa załącznik nr 1 do
rozporządzenia.

 

Wody infiltrujące , skład jest zbliżony do składu wód
podziemnych, gdy udział wód powierzchniowych

infiltrujących

do gruntu jest mały, lub gdy czas infiltracji jest

wystarczająco

długi.

Czas potrzebny do mineralizacji związków

organicznych

w procesie infiltracji wynosi 30 dni.

Infiltracja to metoda wzbogacania zasobów wód
podziemnych, obecnie zalecana jest jako pierwszy

stopień

oczyszczania wód powierzchniowych nie nadających się
do bezpośredniego ujmowania.

Wody podziemne
Zasoby eksploatacyjne wód podziemnych w Polsce
szacuje się na 15634,6 hm

3

z czego 65.1%

występuje

w utworach geologicznych czwartorzędowych,
10,7% w utworach trzeciorzędowych,
13,5% w kredowych
10,7% w starszych formach geologicznych.
Z tych zasobów około 8,2% jest pobierane co roku

na

potrzeby wodociągów komunalnych, co stanowi 56%
ogólnego zapotrzebowania.

Skład wód podziemnych zależy od:

• rodzaju skał, z którymi wody się kontaktują,

• stopnia zwietrzenia skał, uziarnienia,

• prędkości ruch u wody podziemnej,

• stopnia kontaktu z wodami powierzchniowymi i

opadowymi,

• intensywność procesów mineralizacji w wodach

Mineralizacja wody podziemnej zachodzi w wyniku

rozpuszczania się w niej zwietrzałych skał:

• glinokrzemiany są źródłem jony Ca

2

+, Mg

2

+, Na+,

K+, wodorowęglanów, pochodnych kwasu

krzemowego,

• chlorki powstają w wyniku wietrzenia apatytów

[Ca

5

(PO4)

3

Cl],

• siarczany w wyniku utlenienia S

2-

w takich związkach

jak

piryty, galenity, chalkopiryty.

• skały osadowe: wapienne i dolomity CaCO

3

, CaSO

4

*

MgCO

3

, gips , są źródłem kationów i anionów

Wody podziemne
Gazy: Dwutlenek węgla
CO

2

występuje w postaci: wolnej i związanej.

Wolny dwutlenek węgla dzieli się na równoważny,
pozostający w równowadze z HCO

3-

tzn. zapobiega

przejściu: HCO

3-

CO

32-

agresywny stanowiący różnicę między wolnym a
równoważnym.
Dwutlenek węgla związany to CO

2

wchodzący w skład

HCO

3-

-półzwiązany, CO

32-

—związany.

Dwutlenek węgla agresywny rozpuszcza CaCO

3

tworząc

Ca(HCO

3

)

2

aż do osiągnięcia stanu równowagi

węglanowo-

wapiennej.
Stosunek wolnego CO

2

do kwaśnych węglanów określa

odczyn wody.

Siarkowodór H

2

S

występuje w wodach podziemnych ujmowanych do

celów

komunalnych w ilościach nie większych niż 2-3 g/m

3

.

Jest produktem rozkładu pirytów redukcji siarczanów

przebiegającej w obecności węgla przy udziale

mikroorganizmów

Azot N

2

występuje powszechnie w wodzie w

niewielkich stężeniach.

Substancje rozpuszczone mineralne

wodorowęglany, węglany mogą powstawać w wyniku

dysocjacji kwasu węglowego.

Wodorowęglany występują w środowisku o

odczynie obojętnym, węglany w środowisku

zasadowym

(pH.8,5).

• Wodorowęglany HCO

3-

i węglany CO

3-2

występują

w połączeniach z jonami Ca

2+

i Mg

2+

, w mniejszym

stopniu z jonami Fe

+2

i Mn

+2

.

• w wodach silnie mineralizowanych w połączeniach

z jonami sodu

W wodach zawierających CO

2

w ilościach mniejszych

niż

to wynika z równowagi węglanowo-wapniowej,

wodorowęglany

przechodzą w węglany, przy stężeniach CO

2

wyższych

niż

równowagowe ma miejsce rozpuszczanie węglanów do

Wodorowęglanów.

Sole nieorganiczne Fe

2

+ i Mn

2

+

Żelazo w wodach podziemnych pochodzi z:
wietrzenia skał zasadowych,

Węglan żelazawy rozpuszcza się podobnie jak węglan

wapniowy i magnezowy w wodzie zawierającej CO

2

i

przechodzi w Fe(HCO

3

)

2

.

Związki żelaza z siarką utleniają się i przechodzą w
łatwo rozpuszczalny siarczan żelaza(II).

W wodach o niskim potencjale redox żelazo

występuje w postaci związków żelaza(II) jako:
Fe(HCO

3

)

2

, FeCO

3

, FeSO

4

, Fe(OH)

2

.

W wodach zawierających tlen żelazo występuje w

postaci koloidalnego Fe(OH)

3

.

Żelazo ma również zdolność do tworzenia związków

kompleksowych z kwasami humusowymi i
związkami organicznymi.

W wodzie mangan może występować w postaci
Mn(HCO

3

)

2

, MnSO

4

, MnCO

3

, Mn(OH)

2

lub jako słabo

rozpuszczalny MnO(OH).
Do związków manganu o wysokiej rozpuszczalności
w wodzie w obecności dwutlenku węgla zalicza się:

MnCl

2

,

MnSO

4

, MnCO

3

.

Rozpuszczalność Mn

+2

zawartego w glebach zależy

od

kwasowości wody, potencjału redox oraz procesów
nitryfikacji. Wody podziemne zawierają mangan od

ilości

śladowych do kilku mgMn

+2

/dm

3

.

Związki azotu w wodach podziemnych występują w

postaci:

• azotu cząsteczkowego, obojętnego gazu,

• azotu amonowego,

• azotanowego (III), azotanowego (V),

• jony cjankowe.
Jony amonowe podlegają sorpcji i wymianie jonowej

na minerałach ilastych.

Dominującą formą azotu w wodach podziemnych są

azotany, dobrze rozpuszczalne w wodzie i w małym
stopniu podlegają sorpcji i wymianie jonowej.

Źródłem związków azotowych pochodzenia
obcego są: opady atmosferyczne, przenawożenie
gleb, ścieki odprowadzane do gruntu, odcieki z

wysypisk

Radionuklidy zaliczane są do grupy zanieczyszczeń

nieorganicznych. W środowisku obecne są pierwiastki

promieniotwórcze z trzech naturalnych szeregów

promieniotwórczych:

• torowego,

• uranowo-radowego

• uranowo-aktynowego.

Pierwiastki promieniotwórcze tych szeregów są

źródłem promieniowania alfa, beta i gamma.

Wskaźniki oceny jakości wody
fizyczne:

• temperatura, mętność i przezroczystość, zapach,

smak i posmak, przewodność elektryczna,

chemiczne:

• sucha pozostałość, są to wszystkie substancje stałe,

rozpuszczone i zawieszone występujące w wodzie,
strata po prażeniu, pozostałość po prażeniu.

• związki organiczne (utlenialność, BZT

5

, ChZT, OWO)

ekstrakt węglowo-chloroformowy ( EWCh), ekstrakt

węglowo-alkoholowy (EWA)

Specyficzne zanieczyszczenia organiczne:
Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA),
za najbardziej szkodliwy uważany jest benzo(a)piren.

Stężenie w wodzie do picia sześciu reprezentantów WWA
tj.: benzo(a) piren, benzo(b)fluoranten,

benzo(k)fluoranten,

benzo(b,h,i)perylen, fluoranten, indeno(1,2,3,-c,d)piren
nie powinno przekraczać 200ng/dm

3

.

Inne spotykane w wodach powierzchniowych WWA to:
fenantren, chryzen, benzo(a)antracen, benzo(e)piren

Pestycydy
DT>Lindan>Metoksychlor>Chlorfenwinfos>Monolin

uron>

Propoksur-karbaryl
SPC- substancje powierzchniowo-czynne
produkty przeróbki ropy naftowej
chlorowane związki organiczne (ChZO)
polichlorowane bifenyle (PCBs)

Odczyn (pH) wyraża stopień kwasowości lub

zasadowości

wody i jest określany stężeniem jonów wodorowych

w wodach naturalnych wynosi od 6.5 do 8.5.

Zasadowość wody (mval/l), jest to zdolność wody

do zobojętniania kwasów w obecności określonych

wskaźników. Zasadowość wody wywołana jest

obecnością:

anionów wodorowęglanowych, dwuwęglanowych,

rzadziej

węglanowych, niekiedy wodorotlenowych,

boranowych,

fosforanowych.

Kwasowość jest to zdolność do zobojętniania zasad

mineralnych lub węglanów w obecności
wskaźników.

Powodowana jest obecnością dwutlenku węgla,

kwasów mineralnych, organicznych kwasów
humusowych,

produktów hydrolizy soli żelaza lub soli glinu.
Kwasowość mineralna występuje w wodach gdy

odczyn

jest <4.5 pH i tak woda jest silnie agresywna.
Kwasowość ogólna występuje gdy odczyn wody jest
w granicach od 4.5 do 8,3 pH. Powyżej odczynu 8.3

pH kwasowość nie występuje w wodzie.

CO

2

w wodach powierzchniowych pochodzi głównie

z procesów przemian biochemicznych i rozkładu

związków

Organicznych.
W wodach podziemnych pochodzi z przemian formacji
geologicznym, infiltrujących wód powierzchniowych,
opadowych.
• Twardość wody (mvl/l) spowodowana jest obecnością
• w wodzie jonów wapnia i magnezu w połączeniu
• z węglanami, wodorowęglanami tworzą twardość

węglanową,

• natomiast z innymi anionami tworzą twardość

niewęglanową.

• Tog.=Ca2+/20.04+Mg2+/12.16, mval/l

Chlorki występują razem ze związkami azotowymi i

przy

podwyższonej utlenialności są wskaźnikiem
zanieczyszczenia wody
Siarczany w wodach podziemnych są pochodzenia
geologicznego. Powyżej 250 mg/dm

3

są przyczyną

korozji.

Fe, Mn dopuszczalna ilość w wodzie pitnej wynosi

0.2 i 0.05 mg/l.

• Tlen, zawartość w wodzie tlenu powoduje jej

korozyjność

• Siarkowodór, powoduje nieprzyjemny zapach,

rozwój

• bakterii siarkowych, wywołuje korozję

Amoniak, w wodach powierzchniowych pochodzi z

rozkładu

związków białkowych, redukcji azotanów, z

nawożenia gleb

solami amonowymi. Rozkładu związków humusowych

W wodach podziemnych amoniak może powstawać w

wyniku redukcji azotanów i azotynów przez

siarkowodór i piryty

Azotyny i azotany, mogą pochodzić z utlenienia azotu

amonowego. Azotany >15 mg/dm

3

w obecności

chlorków i siarczanów są przyczyną korozji.

Wskaźniki bakteriologiczne
Ocenę stanu sanitarnego wody przeprowadza się
na podstawie określonej ilości ogólnej liczby bakterii
w 1cm

3

wody, miana coli, Escherichia colii,

Streptoccocus fecealis, Bacillus perfringens.

Klarowanie, usuwanie lub zmniejszanie mętności wody,

spowodowanej zawartością zawiesin substancji

nieorganicznych i organicznych zawieszonych

i koloidalnych

W tym celu stosuje się koagulację, sedymentację, flotację

filtrację

Koagulacja stosowana jest do usuwania z wody cząstek

o rozdrobnieniu koloidalnym 10

-7

do10

-5

cm.

Sedymentacja, flotacja stosowane są do usunięcia zawiesin

z wody. W procesie sedymentacji usuwane są te zawiesiny,

których ciężar właściwy jest większy niż wody. Podczas flotacji

natomiast usuwane są cząsteczki o ciężarze mniejszym od

wody.

Filtracja to usuwanie zawiesin na filtrach z wypełnieniem

antracytowym, węglowym, ditomitowym i innym w zależności

od rodzaju usuwanych zanieczyszczeń.

Odżelazianie, odmanganianie to procesy usuwania
nadmiernej ilości związków żelaza, manganu.
Stosowane w tym celu procesy to: aeracja wody,

wapnowanie,

koagulacja, sedymentacja, filtracja, wymiana jonowa na
kationicie.
Dezynfekcja polega na zniszczenie żywych i

przetrwalnikowych

form organizmów patogennych oraz zapobieżenie ich

wtórnemu

rozwojowi w sieci wodociągowej
Stosuje się chlorowanie, ozonowanie, naświetlanie UV.

Dezodoryzacja, usuwanie przykrego lub specyficznego

zapachu i smaku. W tym celu stosuje się areację,
adsorpcję, chlorowanie, ozonowanie.

Odgazowanie usuwanie gazów rozpuszczonych w

wodzie przy zastosowaniu areacji, filtracji przez opiłki
żelaza, wytwarzanie podciśnienia, adsorpcja.

Zmiękczanie wody polega na usuwaniu z wody jonów

wapnia i magnezu powodujących twardość. Stosuje
się związki chemiczne, wymianę jonową.

Odkrzemianie, usuwanie z wody związków krzemu,

stosując reagenty.

Odsalanie, demineralizacja, usuwanie z wody

rozpuszczonych

soli w wyniku odparowania, wymiany jonowej,

elektrolizy,

wymrażania, procesów membranowych:

ultrafiltracji, dializy,

odwróconej osmozy, nanofiltracji.

Stabilizacja czyli utrwalanie składu wody głównie ze

względu na zapobieganie korozyjności wody,

wydzielania z niej osadów, zwykle stosuje się:

zakwaszanie, alkalizację, traktowanie fosforanami.

Dezaktywacja to usuwanie z wody substancji

radioaktywnych w wyniku adsorpcji,

sedymentacji, filtracji, wymiany jonowej.

Fluorowanie dodawanie do wody odpowiedniej ilości

związków fluoru, w celu zapobiegania próchnicy.