Czynniki kształtujące skład wody

W odróżnieniu od wód podziemnych, w kształtowaniu składu chemiczne­go wód powierzchniowych znacznie większą rolę odgrywają zanieczyszczenia an­tropogeniczne. Stąd o ostatecznym składzie decydują produkty procesów natural­nych przebiegających w środowisku wodnym oraz zanieczyszczenia obcego po­chodzenia. Ponieważ wody powierzchniowe w sposób bezpośredni narażone są na wpływ skutków działalności gospodarczej człowieka, charakteryzują się one zmien­nością składu fizyczno-chemicznego i większą różnorodnością substancji w nich występujących niż wody podziemne. Poziom zanieczyszczenia wód powierzchnio­wych koreluje ze sposobem zagospodarowania zlewni, stopniem degradacji środowi­ska oraz warunkami atmosferycznymi panującymi w danym regionie. W wodach powierzchniowych, poza substancjami obecnymi w wodach podziemnych, występują zanieczyszczenia stanowiące poważny problem z uwagi na fakt, iż wiele z nich należy do substancji uciążliwych, a często i toksycznych.

Do głównych czynników kształtujących skład wód powierzchniowych należą:

• budowa geologiczna zlewni i wielkość kompleksu sorpcyjnego gleb;

• topografia zlewni;

• procesy wietrzenia i rozpuszczania minerałów budujących zlewnię;

• procesy fizyczne (sedymentacja, sorpcja) i chemiczne (hydroliza oraz reakcje: redoks, strącania i kompleksowania) zachodzące w środowisku wodnym;

• prędkość i natężenie przepływu wody decydujące o wielkości wymiany między substancjami występującymi w wodzie i zdeponowanymi na dnie rzek oraz zbior­ników;

• wielkość powierzchni kontaktu wody z powietrzem atmosferycznym;

• mieszanie się wód o różnym składzie;

• rodzaj organizmów wodnych i aktywność przemian biologicznych;

• warunki atmosferyczne (temperatura, wysokość opadów atmosferycznych);

• sposób i stopień zagospodarowania zlewni — decydujące o ilości i rodzaju zanieczyszczeń doprowadzanych do wód powierzchniowych ze źródeł punktowych i obszarowych;

• rodzaj obiektów hydrotechnicznych i stopień regulacji rzeki;

• sposób użytkowania wód;

• głębokość zbiorników wód i ich lokalizacja w stosunku do źródeł emisji zanieczyszczeń.

Ilość wymienionych czynników wskazuje, że jakość wód powierzchniowych jest funkcją wielu parametrów, których udział w ostatecznym składzie fizyczno-chemicznym wód może być różny i zmienny w czasie. Konsekwencją tego jest bardzo skomplikowany mechanizm kształtowania się składu wód powierzchniowych.

Domieszki i zanieczyszczenia obecne w tych wodach dzieli się na: zawieszone, koloidalne i rozpuszczone, a ich ilości mogą się zmieniać w szerokim zakresie. Według Dojlido [3] stężenia substancji występujących w wodach powierzchniowych wahają się od ilości śladowych do kilkuset g/m³, a określone przez niego przeciętne zakresy zawartości tych substancji podano na rysunku 3.1. Z danych tych wynika, że w wodach powierzchniowych występują również mikrozanieczyszczenią nieorganicz­ne i organiczne, w tym także związki refrakcyjne. W wodach powierzchniowych, w odróżnieniu od wód podziemnych, żyje znacznie więcej organizmów wodnych, których gatunek zależy od poziomu czystości wody. Jakość wód naturalnych (podziemnych i powierzchniowych) oceniana jest na podstawie wartości wskaźników fizycznych, chemicznych i biologicznych.

Cechy fizyczne wody

Do wskaźników fizycznych należą: barwa, mętność, smak, zapach i temperatura.

Barwa wód powierzchniowych spowodowana jest substancjami koloidalnymi i rozpuszczonymi, a podczas zakwitów glonów również tymi mikroorganizmami. Barwę powodują najczęściej barwne frakcje substancji humusowych i stąd wody charakteryzujące się intensywną żółto-brunatną barwą pochodzą ze zlewni bagnis­tych, torfiastych i zalesionych. Wody zanieczyszczone ściekami przemysłowymi

mogą odznaczać się barwą spowodowaną sztucznymi barwnikami. W Polsce spotyka się wody powierzchniowe o barwie od 5 do 250 g Pt/m³ [10], a jej intensywność zależy od natężenia przepływu wody powierzchniowej oraz jej stanu.

Mętność wód spowodowana jest obecnością drobno zdyspergowanych zawie­sin i zależy od stanu wody w rzece; w okresie wysokich stanów wody jest znacznie większa niż w czasie trwania stanów niskich. Mętność zwiększają ilości zawiesin spławialnych transportowanych ze zlewni oraz uwalnianych z osadów dennych (przy dużej prędkości przepływu wody). Wzrost mętności wody w rzece, na której zlokalizowany jest zbiornik zaporowy, powoduje również zwiększenie tego wskaźnika wody w zbiorniku. Uruchomienie substancji stałych odłożonych na dnie zbiorników, mające miejsce podczas ich destratyfikacji (najczęściej w okre­sach wiosny i jesieni), a także masowy rozwój glonów, powodują wyraźne zwięk­szenie mętności wody. Mętność wód powierzchniowych wynosi przeciętnie od kilku do kilkudziesięciu g/m³ w okresach niskich stanów wody, osiągając okre­sowo wartość 1000 g/m³, a nawet i większą w czasie stanów wysokich i powo­dzi [10].

Smak wody jest funkcją rodzaju i ilości występujących w niej substancji oraz temperatury. Specyficzny smak bądź posmak mogą powodować produkty procesów biochemicznych i zanieczyszczenia pochodzenia antropogenicznego.

Zapach powodują różne związki (najczęściej pochodzenia organicznego) i gazy rozpuszczone w wodzie. W wodach zeutrofizowanych zapach wody jest skutkiem zakwitów glonów. Mogą go powodować również produkty mineralizacji osadów dennych i innych procesów biochemicznych oraz wprowadzone do wody zanieczysz­czenia charakteryzujące się zapachem specyficznym. Wody naturalne nie zanieczysz­czone charakteryzują się zapachem roślinnym. Wielkocząsteczkowe związki po­chodzenia przemysłowego obecne w wodach powierzchniowych mogą powodować zapach dopiero podczas oczyszczania tych wód, np. w wyniku kontaktu związków fenolowych z chlorem, kiedy to powstają chlorofenole charakteryzujące się intensyw­nym zapachem.

Temperatura wód powierzchniowych jest zmienna w ciągu roku. W okresie lata temperatura górnych warstw wody może dochodzić do 25°C, natomiast w zimie zbliża się do 0°C, bezpośrednio pod pokrywą lodową, lub nawet spada poniżej 0°C (w bystro płynących potokach oraz w wodach bardzo zasolonych), a w głębszych warstwach osiąga wartość do +4°C. W wodach płynących, z uwagi na mieszanie się mas wody, temperatura jest bardziej uśredniona i jednorodna niż w zbiornikach wód stojących lub o małym przepływie. W tych ostatnich, w wyniku stratyfikacji termicznej, rozkład temperatur zależy w większym stopniu od pory roku oraz głębokości zbiornika (rys. 3.2). Temperatura wody ma duży wpływ na: stężenie tlenu rozpuszczonego oraz innych gazów rozpuszczonych w wodzie, przebieg procesów chemicznych i biochemicznych oraz rozwój biocenoz wodnych. Ponadto, wraz ze wzrostem temperatury, zwiększa się intensywność procesu nitryfikacji, toksyczność wielu substancji, np. metali ciężkich i pestycydów, oraz wrażliwość organizmów żywych na działanie substancji toksycznych.

Z uwagi na dominującą rolę kationów wapnia i magnezu w twardości wody, rozróżnia się twardość wapniową i magnezową. Ze względu na rodzaj anionów towarzyszących tym kationom, twardość ogólna jest sumą twardości węglanowej i nie węglanowej. Twardość węglanową (dawniej nazywaną twardością przemijającą) powodują głównie wodorowęglany, a rzadziej węglany, twardość niewęglanową zaś (dawniej zwaną twardością stałą) — najczęściej chlorki i siarczany. Wskaźnik ten nie ma znaczenia sanitarnego, ale nadmierna twardość jest niepożądana ze względów gospodarczych. Szczególne znaczenie ma twardość wody dla wielu gałęzi przemysłu i to zarówno dla produkcji, chłodzenia, jak i zasilania kotłów.

Wodę o twardości do 2 val/m³ określa się jako bardzo miękką, 2-4 val/m³ -jako miękką, 4-7 val/m³ — jako średnio twardą, 7-11 val/m³ jako twardą i powyżej 11 val/m³ jako bardzo twardą [10]. Pożądane jest, aby twardość wody do celów gospodarstw domowych nie przekraczała 7 val/m³. Generalnie, wody powierzch­niowe charakteryzują się mniejszą twardością (szczególnie niewęglanową) niż wody podziemne.

W wodach, które nie zawierają wodorowęglanów sodu i potasu, twardość węglanowa jest równa zasadowości ogólnej. Wywołują ją najczęściej aniony HCO^, rzadziej CO3^-, niekiedy również aniony wodorotlenowe, boranowe, krzemianowe i fosforanowe. Aniony te najczęściej występują jako sole wapnia i magnezu. Jeżeli obecne są wodorowęglany sodu lub potasu, to wówczas zasadowość ogólna (twardość węglanowa) jest większa od twardości ogólnej wody, a więc twardość niewęglanową wynosi 0.

Zasadowość oznaczana wobec metyloranżu (zas. M) występuje przy pH > 4,6. W wodach, których pH jest większe od 8,3, występują jony węglanowe i wodoro­tlenowe powodujące zas. F (oznaczaną wobec fenoloftaleiny). Przy takim stężeniu jonów H⁺ stężenie jonów HCO4 zmniejsza się, przy równoczesnym wzroście stężenia jonów COl~, [5] zgodnie z reakcją:

HCO3- + OH" = COi" + H₂0. (3.3)

Z uwagi na najczęściej występującą wartość pH wód powierzchniowych, wody te mają zas. M, a zas. F = O. Podobnie, bardzo rzadko spotyka się wody powierzch­niowe mające zasadowość spowodowaną obecnością wodorowęglanów sodu i pota­su. Wody, w zależności od odczynu, mogą wykazywać zasadowość i kwasowość. Kwasowość wody powodują: C0₂ wolny, kwasy mineralne i organiczne (np. humusowe) oraz produkty hydrolizy obecnych w wodzie soli. Jeżeli pH wody jest mniejsze od 4,6, wówczas występuje kwasowość mineralna i woda charakteryzuje się silnie korozyjnym charakterem wobec betonu i metali. Kwasowość ogólna występuje w zakresie pH = 4,6 do 8,3. W tym przedziale stężeń jonów H⁺ współwystępują więc kwasowość ogólna i zasadowość ogólna, gdyż są spowodowane przez występujące równocześnie wodorowęglany i kwas węglowy, składniki tworzące układ buforowy (kwas węglowy i jego sole). Dzięki pojemności buforowej, wody mogą zobojętniać pewne ilości mocnych kwasów nieorganicznych, jak i pewną ilość mocnych zasad, przy nie zmienionej, lub jedynie nieznacznie zmienionej wartości pH. Nagła zmiana wartości pH, będąca wynikiem zanieczyszczenia wody, powoduje zniszczenie układu

buforowego, czego skutkiem są niekorzystne zmiany w biocenozie wodnej. Kwaso­wość mineralna bardzo rzadko występuje w wodach powierzchniowych nie zanieczy­szczonych. Kwasowość ogólna wody nie ma znaczenia higienicznego, lecz duże znaczenie gospodarcze. Z kwasowością ogólną wody koreluje zawartość wolnego dwutlenku węgla.

Żelazo zazwyczaj występuje w wodach powierzchniowych w znacznie mniejszych ilościach niż w wodach podziemnych. Stopień utlenienia żelaza zależy od wartości pH i potencjału redoks. W wodach powierzchniowych żelazo występuje najczęściej w postaci Fe(OH)₃, w wodach pochodzących z terenów bagiennych i zalesionych może być obecne w połączeniach ze związkami humusowymi, w zanieczyszczo­nych fosforanami zaś — w postaci fosforanów żelaza. W środowisku beztlenowym (np. w warstwach przydennych głębokich zbiorników) może występować żelazo dwuwartościowe. W zależności od ilości związków organicznych, tlenu, dwutlenku węgla, pH i rodzaju metabolitów organizmów wodnych może być obecne w postaci rozpuszczonej, koloidalnej lub jako zawiesina. Stężenia żelaza spotykane w wodach powierzchniowych zwykle nie przekraczają kilku g/m³. Często z żelazem występuje mangan. Jego stężenia w nie zanieczyszczonych wodach powierzchniowych bardzo rzadko przekraczają wartości dopuszczalne dla wody do picia i na potrzeby gospodarcze. Większe stężenia stwierdza się w wodach zanieczyszczonych wodami dołowymi i ściekami z przemysłu metalurgicznego. Jednak czynnikiem decydującym o stężeniu manganu jest jego wymywanie z podłoża. Durum podaje, że średnie stężenie manganu w wodach większości rzek świata jest mniejsze od 0,1 g Mn/m³ [3]. Znacznie większe ilości manganu mogą być obecne w głębokich warstwach wód jezior i zbiorników zaporowych, a stężenia manganu są odwrotnie proporcjonalne do ilości tlenu rozpuszczonego w tych wodach (rys. 3.3). Sole manganu są bardziej stabilne niż sole żelaza, a o formie ich występowa­nia decydują wartości: pH, potencjału re­doks oraz rodzaj i stężenie anionów. W wodach naturalnych przeważające ilości manganu występują w postaci trudno roz­puszczalnych związków MnO_x zasocjowa-nych z zawiesinami [3], z którymi sedy-mentują do osadów dennych. Zgromadzo­ny w osadach mangan może być powtórnie uwalniany do wody, która charakteryzuje się małą wartością pH.

łowymi. Zwiększone stężenia sodu stwierdza się w pobliżu morza i jest to spowodowane przemieszczaniem się NaCl w powietrzu. Transport taki możliwy jest na odległość nawet do 150 km [3]. Dominującą formą występowania sodu jest kation Na ⁺ .

Potas powszechnie występuje w wodach powierzchniowych, jednak zwykle w ilościach nie większych niż kilka g K⁺/m³, tj. 4-20 razy mniejszych niż zawartość sodu [3]. Źródłem większych stężeń są spływy z pól uprawnych nawożonych solami potasowymi oraz ścieki komunalne i przemysłowe. Podobnie jak w przypadku sodu, związki potasu są bardzo trwałe w wodzie, a dominującą formą występowania jest kation K⁺.

Azot amonowy (NH4) w wodach powierzchniowych, o odczynie bliskim obojęt­nemu, występuje głównie w postaci kationu amonowego (NH4), a jedynie w iloś­ciach śladowych jako gazowy NH₃. O stężeniach NH4 i NH₃ w wodzie decyduje głównie wartość pH, zgodnie z równaniem równowagi:

NItf + OH~ +± NH₃ + H₂0. (3.4)

Obecny w wodzie powierzchniowej azot amonowy może być pochodzenia organi­cznego (produkt amonifikacji organicznych substancji azotowych) lub nieorgani­cznego. Źródłem nieorganicznego azotu amonowego są najczęściej jego nieorgani­czne sole, stosowane jako nawozy. Pewne ilości powstają w wyniku redukcji azotynów i azotanów obecnych w wodzie. Stężenie azotu amonowego zależy od ogólnego poziomu zanieczyszczenia wody związkami azotu, pory roku oraz inten­sywności przemian tych związków w środowisku wodnym.

Chlorki są łatwo rozpuszczalne w wodzie i należą do podstawowych anionów wód powierzchniowych. Ich stężenia zależą od poziomu zanieczyszczenia wód ściekami i spływami obszarowymi. Według Alekina [1] średnie stężenia chlorków w wodach rzek świata wahają się w granicach od 0,4 do 170 g Cl~/m³. Znacznie większe ich ilości stwierdza się w wodach, do których wprowadzane są zasolone wody dołowe, i wówczas mogą być większe od 1000 g Cl~/m³. Chlorki występują w wodach głównie jako jony chlorkowe (Cl~). Chlorki występujące łącznie ze związkami azotu, bakteriami i przy podwyższonej utlenialności są ważnym wskaź­nikiem zanieczyszczenia wody [10].

Do grupy podstawowych anionów należą również jony wodorowęglanowe (HCO^), będące formą układu węglanowego. Stężenie ich jest funkcją pH i w wo­dach o odczynie bliskim obojętnemu dominują ilościowo nad pozostałymi formami układu węglanowego.

Wymagania stawiane wodzie przeznaczonej na cele bytowo-gospodarcze

Wymagana jakość wody zależy od jej przeznaczenia, a warunki, jakim powinna odpowiadać, określone są przez jej użytkownika. W związku z różnym prze­znaczeniem wody wykorzystywanej w przemyśle, rolnictwie oraz innych gałęziach działalności gospodarczej, warunki stawiane wodzie przeznaczonej na te cele określają odpowiednie normy branżowe, użytkownicy lub producenci urządzeń (np. kotłów).

Jakość wody przeznaczonej do picia i na potrzeby gospodarcze w Polsce określa załącznik nr 1 do rozporządzenia Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej z dnia 4 maja 1990 r. Dopuszczalne wartości wskaźników jakości wody w różnych krajach są różne (tab. 4.1.), a spowodowane to jest najczęściej różnym stopniem zanieczysz­czenia wód naturalnych w poszczególnych krajach oraz technicznymi i ekonomicz­nymi możliwościami oczyszczania wody.

Analiza ilości oraz dopuszczalnych wartości normowanych wskaźników w wo­dzie przeznaczonej do zaopatrzenia ludności, obowiązujących dawniej i obecnie, jednoznacznie wskazuje na systematyczne zwiększanie ich ilości. Spowodowane to jest z jednej strony obecnością zwiększającej się liczby zanieczyszczeń w ujmowanych wodach oraz lepszymi możliwościami analitycznymi identyfikacji i określenia wpływu tych substancji na zdrowie ludności, a z drugiej strony zrozumieniem roli właściwej jakości wody. Wśród nowych wskaźników dominują zanieczyszczenia pochodzenia antropoge­nicznego oraz powstające w wyniku utle­niania chemicznego substancji obecnych w oczyszczanych wodach. Na świecie, poza zwiększeniem liczby wskaźników normo­wanych, istnieje tendencja do zmniejszania wartości ich dopuszczalnych stężeń do po­ziomu, przy którym nie stwierdza się ich ujemnego wpływu na zdrowie odbiorców wody. Według norm US EPA maksymalne stężenia docelowe wielu wskaźników mają wynosić zero. Do tej grupy wskaźników należą: akryloamid, alachlor, chlordan, di-bromochloropropan, dichlorometan, 1,2--dichloropropan, epichlorohydrina, dibro-mek etylenu, heptachlor epoksyd, ftalany-dietyloheksyloftalan, polichlorowane bife-nyle, dioksyna, toksafen, chlorek winylu, beryl [2].

Woda przeznaczona do zaopatrzenia ludności musi również odpowiadać wa­runkom bakteriologicznym, określonym w załączniku nr 2 do rozporządzenia Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej z dnia 4 maja 1990 r. Wymagania te podano w tabeli 4.2.

Woda dostarczana odbiorcom musi spełniać nie tylko wymagania jakościowe, ale również i ilościowe. Powinna być dostarczana bez przerw i pod wystarczającym ciśnieniem. Dostarczanie wody z przerwami, i wynikające z tego jej magazynowanie przez ludność, sprzyja zakażeniu wody. Natomiast wahania ciśnienia w sieci mogą powodować zanieczyszczenie wody innymi obcymi wodami zassanymi do sieci wodociągowej [5].

Warunki stawiane wodzie mogą być spełnione przez ujmowanie wody o od­powiedniej jakości, stosowanie niezbędnych i właściwych procesów oczyszczania oraz należyte gromadzenie i podawanie wody do sieci wodociągowej.

Chlorki

Jony chlorkowe powszechnie występują w wodach podziemnych, a pra­wie wszystkie ich sole są łatwo rozpuszczalne. Jony chlorkowe nie biorą udziału w procesach utleniania i redukcji oraz, tylko w wyjątkowych warunkach (środowiska tropikalne), uczestniczą w procesach sorpcyjno-wymiennych. Należą do najaktyw­niejszych migrantów wodnych. Stężenie ich zwiększa się wraz z głębokością i wzrost ten jest zgodny ze zwiększaniem stopnia mineralizacji wód podziemnych. Szczególnie istotna jest ta zależność przy mineralizacji wody > 1000 g/m³ (rys. 2.5).

Chlorki mogą dostawać się do wód podziemnych z wodami opadowymi, zwłaszcza w rejonach wybrzeży morskich i występowania gleb zasolonych, z zasolo­nymi wodami morskimi migrującymi do wód podziemnych (intruzja wód słonych), ze ściekami oraz odciekami z odpadów. Chlorki pochodzące z tych ostatnich źródeł świadczą o zanieczyszczeniu wód. W przypadku zanieczyszczenia wody ściekami, obok podwyższonego stężenia Cl^- stwierdza się wzrost zawartości związków azotowych i organicznych oraz wzrost liczby bakterii. W lokalnym zanieczyszczeniu wód występuje skokowa zmienność zawartości chlorków i mozaikowy ich rozkład przestrzenny. Naturalnym źródłem, niekiedy nawet dużych ilości chlorków (pochodzenia geologicznego) są łatwo rozpuszczalne minerały skał osadowych, głównie halit, oraz znacznie rzadziej wyziewy wulkaniczne. Możliwe jest również występowanie dużych ilości chlorków w wodach podziemnych w klimacie gorącym i suchym, i jest to wówczas efektem intensywnego parowania wód. Obecność chlorków w ilości powyżej 50 (100) g Cl^-/m³ intensyfikuje agresywny charakter wody w stosunku do żelaza i betonu, szczególnie przy współwystępowaniu z nimi kationów Na⁺, K⁺ i Mg²⁺.

---