W ramach wstępu

Zanieczyszczona woda jest problemem na skalę światową. W krajach bogatych oraz dobrze rozwiniętych woda pobierana bezpośrednio z rzek nie może być wykorzystana w gospodarstwach domowych. Ten fakt budzi zgrozę, ale jak mamy zareagować na doniesienia o tym, że woda spływająca z kranu nie powinna być spożywana, gdyż budzi wiele niepewności, co do swojego stanu. Jakość rzek, wód gruntowych, z których człowiek pobiera wodę pitną jest, najdelikatniej mówiąc, w bardzo niedobrym stanie. Do wody tej odprowadzane są ścieki, które powinny wpierw oczyszczone. Jednak najlepsze stosowane technologie nie są w stanie usunąć wszystkich szkodliwych zanieczyszczeń. Odprowadzane ścieki pochodzą z zakładów przemysłowych, gospodarstw domowych, obszarów rolniczych.

Jedna z największych i najważniejszych rzek w Europie Ren, która jest dostarczycielem wody pitnej dla człowieka (około 20 milionów osób), to jednocześnie najbardziej zanieczyszczona rzeka na świecie.

W skali roku wprowadza się do niej około 10 tysięcy ton szkodliwych substancji chemicznych.

Jednym z głównych źródeł zanieczyszczeń zbiorników wodnych jest przemysł. Zarówno przemysł chemiczny, jak i hutniczy oraz metalurgiczny odprowadzają do rzek wiele substancji toksycznych, takich jak: metale ciężkie (ołów, kadm, rtęć), arsen, cyjanki. Przyczyna zanieczyszczeń zbiorników wodnych są także „niespodziewane” wypadki w zakładach przemysłowych. Do niekorzystnego stanu wody przyczyniają się także metody stosowane na szeroką skalę w rolnictwie. Różnego rodzaju nawozy sztuczne oraz pestycydy, gnojowica, wprowadzają do wody azotany. Azotany nie są aż tak bardzo szkodliwe, jednakże po jakimś czasie mogą przejść w azotyny, które mogą powodować methemoglobinemię, na którą są szczególnie wrażliwe niemowlęta. Tak jak fosforany zawarte w proszkach do prania, podobnie azotany powodują zjawisko eutrofizacji, czyli znaczny szybki rozwój alg oraz roślin wodnych, które blokują urządzenia przeznaczone do zasilania wody, nadają jej także nieprzyjemny smak.

Znaczne zanieczyszczenie wód powierzchniowych oraz podziemnych jest wystarczającym powodem, aby nie wrzucać do nich szkodliwych substancji. Należy także udoskonalić metody technologiczne uzdatniania wody. Francja usuwa 1/3 zanieczyszczeń, które pochodzą z domowych gospodarstw. Wiele stacji uzdatniających wodę wymaga gruntownych udoskonaleń. Stosowane metody są już przestarzale i nie spełniają stawianych im wymogów. Sam proces uzdatniania powinien charakteryzować się znikomą szkodliwością. Dzieje się inaczej. W celu usunięcia bakterii stosowane są metody chemiczne (dodawany jest ozon lub chlor). Ten ostatni stosowany od roku 1893 w kontakcie z substancjami humusowymi może przekształcić się w pochodne charakteryzujące się właściwościami rakotwórczymi.

Problem z woda w biednych krajach ma inne podłoże. Tam problem z zanieczyszczeniem wody wiąże się z trudnością dotarcia do niej. Tylko 25% ludności na Ziemi może korzystać z bieżącej wody. 1,5 miliarda ludzi nie ma aktualnie wody pitnej. 1.8 miliarda ludzi (330 milionów z krajów ODCE), nie posiada instalacji sanitarnych. Do zapewnienia wody pitnej krajom bardzo biednym, niezbędne są duże nakłady finansowe oraz jakakolwiek pomoc, gdyż ludzie mieszkający tam nie są w stanie sami sobie poradzić z tym problemem. Główna przyczyna śmierci żyjących tam ludzi wiąże się nierozerwalnie ze złym stanem wody lub jej brakiem.

Organizm ludzki bez jedzenia może przeżyć około miesiąca, zaś bez wody kilka dni. Wodne zasoby na Ziemi niestety nie są równomiernie rozmieszczone. Wiele krajów ma ograniczony dostęp do wody. Tam nawet bardzo mała ilość tej substancji jest bardzo cenna, nie ma mowy o jakimkolwiek marnotrawstwie. Brak wody wpływa na obfitość plonów. Gdy nie są wystarczające, prowadzi to do nasilającego się głodu.

Niedobory wody sprawiają, że plony są niskie, co prowadzi do głodu. W krajach rozwiniętych ogromne ilości wody zużywane są w zakładach przemysłowych, gospodarstwach domowych oraz na obszarach rolniczych. Woda jest bardzo cenna substancja wykorzystywana w: przemyśle, gospodarstwach domowych oraz transporcie. Nadmiar wody może wyrządzić wiele szkód, wszak woda może być bardzo groźnym żywiołem.

Metody wykorzystania wody

Wodę możemy wykorzystywać na dwa różne sposoby. Pierwszym sposobem jest czerpanie wody bezpośrednio z naturalnych zbiorników. Drugim sposobem jest wykorzystanie wody w  transporcie wodnym, sporcie, rekreacji oraz elektrowniach wodnych. Kraje rozwinięte uprzemysłowionych bogate przemysł oraz energetyka wykorzystują ogromne ilości wody. Wyprodukowanie jednego amerykańskiego samochodu potrzebne są 30000 litrów wody. Produkcja tony papieru w Kanadzie wymaga zastosowania 180000 litrów wody. 76% zużywanej wody w Wielkiej Brytanii pochłania przemysł. Największe ilości są wykorzystywane w elektrowniach, które produkują prąd podczas procesy spalania. Woda wykorzystywana jest także w produkcji energii, Istnieją elektrownie wodne, w których spadający strumień wodny porusza turbiny generatorów, a co za tym idzie zamieniana jest energia mechaniczna na energię elektryczną. Otrzymywana w ten sposób energia jest coraz częściej stosowana, gdyż jej produkcja jest dosyć tania. W Kanadzie elektrownie wodne dostarczają około 66% energii elektrycznej. Norwegia może poszczycić się jeszcze większą wartością. Tam energetyka wodna dominuje całkowicie i stanowi prawie 99%. Wiele krajów stosuje sztuczne nawadnianie pól. 85%' wody w Kalifornii jest wykorzystywana w rolnictwie, zaś mieszkańcy aglomeracji miejskich zużywają 9%, na przemysł przypada tylko 6%. W Izraelu sztuczne nawadnianie to podstawowy warunek dużego rozwoju gospodarczego. 30% obszarów jest nawadnianych sztucznie. Egipt charakteryzuje się tym, że tam wszystkie obszary uprawne są nawadniane. Co prawda transport wodny nie jest tak popularny jak lądowy (kolej, samochody), ale w rejonie Wielkich Jezior w Stanach Zjednoczonych ogromne centra przemysłowe wykorzystując sieć połączeń śródlądowych ma dosyć dogodny dostęp do morza. Ze Stanów Zjednoczonych oraz Kanady w taki właśnie sposób w każdym roku do krajów europejskich dopływa 45 milionów ton towarów. Woda morze być także wykorzystywana jako nośnik ścieków komunalnych oraz przemysłowych. Postępując w ten sposób doprowadzono do tego, że naturalne i czyste cieki wodne zostały zamienione w szkodliwe i brzydko pachnące ścieki.

Nadmierne zużywanie wody

W obrębie mijających 30 lat wykorzystanie wody wzrosło dosyć szybko, a co za tym idzie zmniejszeniu uległy globalne zasoby. Główną przyczyną wzrostu zapotrzebowania na wodę jest wciąż wzrastająca ilość używanych pralek oraz zmywarek, myjni samochodowych, popularność urządzeń nawadniających ogródki, działki oraz powszechność toalet. Ponad 33% wykorzystywanej wody w gospodarstwie domowym w państwach zachodnich wiąże się z muszlę klozetową.

Zużycie wody w Stanach Zjednoczonych rośnie w szalonym tempie. Od roku 1900 wzrosło aż 9-krotnie! Ta ilość powinna skłonić niektórych do przemyśleń. Aktualnie przeciętny obywatel Stanów Zjednoczonych zużywa dziesięciokrotnie większą ilość wody niż inni mieszkańcy krajów rozwiniętych. Wzrost ten wziął się z gwałtownego rozwoju przemysłu, wyższym standardem egzystencji, upowszechnieniem się systemów irygacyjnych.

Zasoby wody na kuli ziemskiej

97% wody występującej na kuli ziemskiej stanowią oceany. Problem tkwi jednak w tym, że woda morska jest bardzo zasolona i nie może być wykorzystywana. 2% wody stanowią lądolody oraz lodowce górskie. Na obszarach lądowych główne źródło pitnej wody stanowią podziemne pokłady. Ma dużych głębokościach występuje około 0,6% wody, zaś tylko 0,02% stanowi woda w rzekach oraz jeziorach. Będąca w atmosferze para wodna stanowi 1/1000 część wszystkich zasobów na Ziemi. Nie należy bagatelizować tej wartości, gdyż ta część jest bardzo znacząca. Woda spadająca pod postacią deszczu na powierzchnię Ziemi, daje możliwość do życia wszystkim roślinom. Każdego roku pod postacią śniegu oraz deszczu spada na Ziemię około 1,131012 metrów sześciennych wody. Gdyby opady atmosferyczne równomiernie się rozkładały na wszystkie obszary na kuli ziemskiej, wówczas nie istniałby problem deficytu na niektórych terenach. Dzieje się jednak inaczej i ogromne obszary lądów stanowią pustynie, półpustynie, na których bardzo często mamy do czynienia z suszą. W krajach europejskich nie mamy do czynienia z deficytem wody. Inaczej sytuacja się przedstawia w krajach afrykańskich. Na ponad 1/3 obszarów na tym kontynencie jest narażonych na częste występowanie suszy. Susza niesie ze sobą wiele szkód. W tym czasie wiele zbiorników z wodą ulega wyschnięciu, umiera wiele zwierząt domowych, wśród ludzi narasta głód. W coraz szybszym tempie wzrastają tereny zajmowane przez pustynie. W przeciągu ostatniego pięćdziesięciolecia ponad 65 milionów hektarów ziemi uległo zamianie na tereny pustynne. Woda będzie przynoszona z coraz bardziej odległych terenów. Często jest to woda zanieczyszczona. Taki stan rzeczy powoduje liczne choroby, a nawet epidemie. Co gorsza najmniej odporne na brak wody są bezbronne dzieci. Tereny pustynne występują także w Azji, w Ameryce Południowej oraz na południowo-wschodnim obszarze Stanów Zjednoczonych. W Kalifornii w latach 1980÷1990 obniżeniu uległ poziom gruntowych wód. W Los Angeles, mieści gwiazd filmowych, w każdym domu są obecne baseny. Odpowiednio przeprowadzona polityka mające na celu promowanie oszczędzana wody przyniosła w jakimś stopniu pozytywne rezultaty. Część kalifornijskich farmerów została zmuszona do wprowadzenia nowoczesnych, a co za tym idzie oszczędnych technologii nawadniania obszarów, na których hodują warzywa oraz owoce. Brak wody odczuli także agencje turystyczne. Zmniejszony poziom niektórych jezior utrudnia żeglugę, zaś wstęp do większości lasów został zabroniony ze względu na zagrażającą możliwość pożarową.

Zagrożenie powodziowe

Opady występujące w dużych ilościach mogą spowodować powodzie. Katastrofy tego rodzaju występują bardzo często na obszarach Bangladeszu. Wynikało to po części z wyrębie lasów rosnących na zboczach w górskich. Brak drzew spowodował, że woda absorbowana wcześniej przez glebę oraz roślinność, spływała swobodnie w doliny, w ten sposób zasilając górskie potoki. W 1997 w okresie lipca na terenach Europy Środkowej miała miejsce "powódź stulecia". Objęła ona następujące tereny: południowa oraz zachodnia część Polski, Czechy oraz Morawy, Austrię, wschodnią część Niemiec. Miesiąc lipiec jest najwilgotniejszym miesiącem w ciągu roku w tej strefie klimatycznej, jednakże był wyjątkowo suchy przez kilka lat poprzedzający tę katastrofę. W 1997 roku w czasie zaledwie paru dni w Sudetach, spadły ogromne ilości deszczu (więcej niż średnia ilość roczna). W tym rejonie mają źródła liczne rzeki. Takiej dużej ilości wody gleba nie mogła wchłonąć. Poczyna, podobnie jak w Bangladeszu, tkwiła we wcześniejszym wyrębie lasów oraz ich „zatrucie” zanieczyszczeniami przemysłowymi. Woda płynąca z szaleńczą prędkością z górskich rzek wpłynęła w doliny. Zniszczeniu uległy tereny wiejskie oraz obszary miejskie. Woda wdarła się na osiedla oraz pola uprawne. Jej siła był tak duża, że zniszczyła wiele dróg, mostów, domów. Na nieszczęście człowieka woda zalewając fabryki, oczyszczalnie ścieków oraz śmietniska spowodowała zanieczyszczenie wielu terenów. Uprawy rolne zostały zatrute, a w okolicach brakowało wody pitnej. Najbardziej wzburzoną rzeką była Odra. Rzeka ta także przyjmowała nadmiar wody z licznych dopływów. Przerywała stawiane wały przeciwpowodziowe. Nadmiar wody nie mogły zatrzymać zbiorniki retencyjne, powstałe w tym celu. Na nasze szczęście katastrofy powodziowe o tak wielkiej skali w Polsce maja miejsce bardzo rzadko, co nie upoważnia do zaniedbań.

Często mamy do czynienia z zaskakującymi nawet hydrologów zmianami kierunku wylewanych rzek. Miejsca dotychczas uważane za bezpieczne stały się zagrożeniem. Pomimo stawianych zabezpieczeń oraz intensywnej pracy odpowiednich służb ratowniczych oraz hydrologicznych, woda okazała się silniejsza od człowieka w wielu miejscach. Nie tylko biedne kraje mają problem z zatrzymaniem nadmiaru wody. Opanowanie wezbranej wody jest bardzo trudnym zadaniem.

Stan wody

Odpowiednie jednostki odpowiedzialne za wodną gospodarkę mają za zadanie dostarczyć wodę o odpowiedniej jakości do naszych mieszkań. Stan wody jest określany na podstawie właściwości:

- fizycznych, takich jak: kolor, smak, temperatura;

- biologicznych, takich jak: obecność bakterii;

- chemicznych, takich jak: twardość wody, zawartość mineralnych związków.

Woda, która pochodzi z pokładów wapieni charakteryzuje się znaczną ilością tlenków magnezu. Jest to tzw. woda twarda. Nie jesteśmy w stanie namydlić się w takiej wodzie. Nie może być także wykorzystywana we włókiennictwie.

Ze skażeniem wody mamy do czynienia, gdy przemysłowe oraz rolnicze odpady dostają się do naturalnego cyklu obiegowego wody. W Stanach Zjednoczonych miało miejsce ciekawe zjawisko. Na skutek dużego stężenia zanieczyszczeń rzeka Cuyaloga się zapaliła. Szkodliwy wpływ na jakość wody może mieć gorąca woda odprowadzana z elektrowni, gdyż zmniejsza stężenie tlenu w rzekach. Zmniejsza się ilość pływających w nich ryb.

Sposoby oszczędnego gospodarowanie wodą

Zapotrzebowanie na wodę wciąż wzrasta, jednak zasoby wód nie są nieograniczone. Specjalnie powołane do tego celu instytucje są odpowiedzialne za dział gospodarki wodnej. Praca tych jednostek opiera się na opracowaniu najlepszych rozwiązań ochrony zasobów  wodnych. Zmianie musi ulec naturalny obieg wody. Niezakłócona niczym naturalna cyrkulacja przebiega z oceanu do ziemskiej atmosfery, z ziemskiej atmosfery do rzeki, z rzeki do morza. Naukowcy zajmujący się hydrologią stwierdzili, że obieg ten można spowolnić budując sztuczne zapory. Tworzy się w ten sposób duże  zbiorniki wodne. Największym tego typu zbiornikiem na świecie jest zbiornik Bracki na Angarze. Sztucznie powstałe zbiorniki wodne są nazywane jeziorami retencyjnymi. Stanowią bardzo ważny element zabezpieczenia przeciw podwoziom. W czasie większej ilości opadów są w stanie zatrzymać nadmierne ilości wody. Zabezpieczają w ten sposób tereny położone niżej przed zalanie. Innym sposobem wykorzystania zbiorników retencyjnych jest rekreacja i sport, ale także mogą służyć do  produkcji prądu. Elektrownie wodne są coraz bardziej popularne na świecie. Czasami mamy do czynienia z obniżaniem się poziomu gruntowych wód. Ma to miejsce tylko wtedy, gdy więcej wody się wydobywa niż wynoszą opady atmosferyczne na danym terenie. Taka sytuacja miała miejsce w Londynie. W mieście tym woda była czerpana z piaskowych oraz kredowych warstw wodnych. W celu zaniechania takiej sytuacji kraje europejskie dokonują wypompowywania nadmiarów wody do warstw wodnych z rzek. Woda może także ulec procesowi ponownego uzdatniania. Zużyta woda w wielu zakładach przemysłowych jest oczyszczana w pobliskich oczyszczalniach i ponownie jest wykorzystywana w czasie produkcji. Tego typu proces nosi nazwę recyclingu. Wadą tego procesu jest duży koszt. Lepszym pomysłem stosowanym w elektrowniach jest studzenie wody i ponowne wykorzystanie.

Marnotrawienie wody

Dosyć dużym problemem związanym z wodą jest jej bezsensowne marnotrawienie w gospodarstwach domowych. Należy zmienić błędne przeświadczenie ludzi o nieograniczonych zasobach wodnych, ponieważ człowiek zużywa więcej wody niż wynika z jego potrzeb. Podniesienie cen za wodę oraz zamontowanie wodomierze może ten stan w dużym stopniu mienić. Taka sytuacja miała miejsce na Wyspach Brytyjskich. Na jednym z terenów zainstalowano wodomierze. W przeciągu roku ilość zużywanej wody spadła o 22%. Znaczne ilości wody są marnotrawione w wyniku wyparowywania zbiorników sztucznych leżących na suchych terenach. Wciąż przeprowadzone są badania, których celem jest stopniowe ograniczanie tego stanu rzeczy. Rozpylana jest nad zbiornikiem specjalna substancja, której zadaniem jest ograniczenie parowania. W kilku krajach arabskich powstały specjalistyczne stacje uzdatniające wodę. Ma to na celu zapewnienie odpowiedniej ilości słodkiej wody. Zadaniem tych stacji jest odsalanie wody słonej. Koszt stosowanej metody jest bardzo duży, dlatego też stosowane są tylko w krajach, gdzie inne sposoby pobierania wody słodkiej nie są możliwe do zrealizowania. Kolejnym sposobem zaopatrywania w wodę terenów ubogich w tą substancje jest transport rurociągami. Koszt tej metody również jest bardzo duży. Wyżej wspomniane metody charakteryzują się tym, że do ich realizacji potrzebne są bardzo duże nakłady finansowe. Stosowa są tylko w przypadku, gdy inne metody nie są możliwe do zrealizowania.

Ogólne skażenie, pogorszenie się stanu środowiska naturalnego oraz globalne ocieplenie może mieć bardzo niekorzystny wpływ na zasoby wodne w niedalekiej przyszłości. Aby w przyszłości nie wystąpiły problemy związane z brakiem wody, już dziś powinniśmy poważnie zastanowić się nad tym aspektem.

Główne zanieczyszczenia wód

Polska jako kraj europejski jest stosunkowo uboga wodne zasoby. Powierzchnia jezior oraz rzek na naszym terenie wynosi około 5000 km2 ( stanowi to około 1,6 % całkowitej powierzchni kraju). Średnie roczne opady atmosferyczne wynoszą około 597 mm rocznie. Jest to bardzo znikoma wartość i w porównaniu z pozostałymi krajami jesteśmy na samym końcu. Od ponad pół wieku wzrasta systematycznie zużycie wody (około 6-krotnie). Woda jest wykorzystywana głównie przez: rolnictwo, przemysł, gospodarstwa komunalne, leśnictwo. Wkrótce zapotrzebowanie na wodę powinno wzrosnąć w rolnictwie. Zwiększające się zanieczyszczenie wód jest nierozerwalnie związane z rozwojem przemysłu, zwiększającą się liczbą ludzi, większymi potrzebami, wzrastającą urbanizacją, rozwojem rolnictwa. Ogromna większość wód powierzchniowych występująca na terenie Polski jest zanieczyszczona, zaś stan wód podziemnych sukcesywnie ulega pogorszeniu. Woda występująca w Polskich rzekach nie może być nawet wykorzystana w celach przemysłowych. Na taki stan rzeczy ma wpływ niewielka ilość oczyszczalni oraz przestarzale technologie tam stosowane.

Jeden stopień zanieczyszczenia według skali Slannacha, to takie wody, których

stan jest zmieniony w takim stopniu, że nie jest możliwe stosowanie ich w gospodarstwach domowych, przemyśle. Wpływ na to mają przyczyny naturalne oraz działalność człowieka.

Aby ocenić stan czystości wody stosowane są specjalne wskaźniki jakościowe. Ich zadaniem jest wyznaczenie ilości oraz rodzaju zawartych zanieczyszczeń w badanej próbce wody.

Do fizycznych wskaźników wody zaliczamy:

- zapach;

- transparentność;

- temperatura;

- smak;

- barwa.

Do chemicznych wskaźników wody zaliczamy:

- odczyn pH;

- zasadowość;

- twardość;

- skład chemiczny (zawartość fosforu, azotu, siarczanów, chlorków, dwutlenku węgla, żelaza, manganu, metali ciężkich);

Do biologicznych wskaźników wody zaliczamy:

- określenie obecności lub braku bakterii Coli;

- wskaźniki saproborwości;

- ustalanie składu gatunkowego organizmów wodnych oraz zmian jakim ulegają w zanieczyszczonych wodach.

Najczęściej stosowaną metodą biologiczną jest metoda saproborwości (sapros ~ gnijący – organizm, który występuje w wodzie zanieczyszczonej). Stan zanieczyszczenia jest określany biorąc pod uwagę występowanie wskaźnikowych organizmów, czyli saprobów – bakterii, glonów, mięczaków, pierwotniaków, grzybów, w zanieczyszczonych wodach. Możemy wyróżnić cztery strefy zanieczyszczeń: strefa polisaprobowa, strefa asaprobowa, mezosaprobowa, oligosaprobowa. W Polsce aktualnie mamy do czynienia ze skalą trójstopniową, która klasyfikuje stan czystości wód powierzchniowych. Skala została zatwierdzona przez Radę Ministrów w 1991 roku. Oparta została na kryteriach gospodarczego ich przeznaczenia.

Mamy do czynienia z czterema stopniami zanieczyszczenia wody:

- Do I klasy czystości zaliczane są wody o największym stopniu czystości, oligosaprobowe, które mogą być wykorzystane do zaopatrywania ludzi w wodą przeznaczoną do picia oraz zakładów przemysłowych wykorzystujących w celach produkcyjnych wodę o dużej czystości. W klasie ryby mogą swobodnie egzystować i rozmnażać się.

- Do II klasy czystości zaliczane są wody mezosaprobowe. W tej wodzie mogą bytować ryby z wyjątkiem łososiowatych. Woda może być wykorzystywana do hodowli roślin oraz zwierząt, w celach rekreacyjnych, sporcie, w zbiorowych kąpieliskach;

- Do III klasy czystości zaliczane są wody asaprobowe, które mogą być wykorzystane do zaopatrywania w wodę zakłady przemysłowe niewymagające nieskazitelnie czystej wody. Oczywiście nie mogą to być zakłady spożywcze. Wody tej klasy czystości mogą być wykorzystane do nawadniania rolniczych obszarów, do uprawiania roślin ogrodniczych, ale także roślinności w szklarniach.

- Do IV klasy czystości zaliczane są wody polisaprobowe, czyli wody pozanormatywne, które nie mogą być wykorzystywane do żadnych celów

Do głównych źródeł zanieczyszczeń zaliczamy:

- zanieczyszczenia naturalne;

- ścieki bytowe (komunalne);

- ścieki rolnicze;

-ścieki przemysłowe.

Zanieczyszczenia naturalne mogą powstawać w różnych wodnych zbiornikach. Zwykle powstają podczas obumierania zwierząt oraz roślin wodnych. Część zanieczyszczeń jest spłukiwana w czasie obfitych opadów atmosferycznych. Ten typ zanieczyszczeń nie jest bardzo dużym problemem, gdyż ich ilość jest regulowana przez proces sedymentacji. Drugi typ zanieczyszczeń, czyli ścieki bytowe (komunalne) są usuwane przez ludzi zamieszkałych na terenach zurbanizowanych. Ilość odprowadzanych ścieków jest uzależniona od ilości zużytej wody przeznaczonej do celów bytowo-gospodarczych. W chwili spopularyzowania kanalizacji ich ilość znacznie wzrosła. Przed gwałtownym rozwojem przemysłu przeciętne zużycie na jednego mieszkańca wynosiło 10-30 litrów dziennie wody. Aktualnie ilość ta wzrosła do niewyobrażalnych rozmiarów. Na dzień dzisiejszy wynosi 140-170 litrów. Główne składniki ścieków bytowych (komunalnych) stanowią zanieczyszczenia pochodzenia organicznego. Wraz z fekaliami do ścieków bytowych są odprowadzane odpady kuchenne, detergenty, papier. Środki piorące zawierają znaczne ilości fosforanów, które mogą spowodować niekorzystny rozwój glonów. Środki piorące tworzą na powierzchni wody pianę i utrudniają w ten sposób dostęp tlenu. Detergenty wpływają ponadto niekorzystnie na organizmy roślinne, jak i zwierzęce. Ścieki bytowe w swoim składzie maja wiele bakterii, dlatego są dużym zagrożeniem higienicznym.

Ścieki przemysłowe występują w bardzo dużych ilościach. Są odprowadzane z zakładów przemysłowych w wyniku zajścia procesów produkcyjnych oraz przetwórczych. Skład chemiczny ścieków przemysłowych jest bardzo bogaty w różne substancje chemiczne (sole miedzi, cynku, niklu, ołowiu). Zawierają wiele substancji toksycznych. Główne grupy związków wchodzące w skład ścieków przemysłowych to: kwasy mineralne, sole, zasady, sole metali ciężkich, substancje pochodzenia organicznego, węglowodory, fenole, substancje barwnikowe. Bardzo szkodliwe są fenole, które pochodzą przede wszystkim z koksowni, gazowni, zakładów chemicznych. Woda zawierające fenole charakteryzuje się nieprzyjemnym zapachem. Pod żadnym względem nie może być spożywana. Może wywołać wiele szkód w organizmie ludzkim. Woda zanieczyszczona ściekami przemysłowymi ma nie tylko inny skład chemiczny niż czysta woda, która może być przeznaczona do picia, ale także rożni się pod względem biologicznym. Szkodliwe substancje powodują obumieranie organizmów roślinnych, jak i zwierzęcych. Śmierć poszczególnych gatunków powoduje luki w cyklach pokarmowych organizmów żywych. Trujące substancje potrafią powoli się odkładać na długi czas w organizmach wodnych. Aby zbadać poziom substancji toksycznych musimy wykonać specjalistyczne testy biologiczne.

Woda odprowadzana z elektrowni, niektórych zakładów przemysłowych, kopalni (okolice Rybnika oraz Tarnobrzega) o podwyższonej temperaturze jest także bardzo szkodliwa.

Ścieki rolnicze tworzone są głównie przez spływy z gnojowiska, ferm zwierzęcych oraz pól uprawnych. Działanie ścieków rolniczych jest podobne do działania ścieków bytowo-gospodarczych. Podstawowym problemem wiejskim jest gnojownica, która bardzo często jest stosowana jako nawóz, a następnie jest spłukiwana do pobliskich rzek oraz rowów. Przenika w ten sposób do gruntowych wód. Gnojownica powszechnie uważana za dobry nawóz jest bardzo szkodliwym i uciążliwym zanieczyszczeniem. Do innych bardzo szkodliwych zanieczyszczeń rolniczych zaliczamy pestycydy, które mogą być wykorzystywane do ochrony roślin w celu zwalczania chwastów, owadów, grzybów, gryzoni. Pestycydy są w stanie odkładać się w wielu organizmach wodnych. Wywołują szkody także konsumentom tych zatrutych organizmów. Pestycydy składają się z około 250 związków (np. endryna, aidryna, dieidryna). Aktualnie panuje tendencja do zaniechania stosowania pestycydów pestycydów zastąpienia ich lepszymi, szybciej się rozkładającymi związkami.

Opady atmosferyczne spadające na powierzchnię Ziemi mogą także być przyczyną zanieczyszczeń wód powierzchniowych. Opady atmosferyczne różnią się składem w zależności od regionu, w którym występują. Tereny bardziej uprzemysłowione powodują kwaśne deszcze. Zanieczyszczone opady atmosferyczne zawierają metale ciężkie, siarczany, azotany. Obfite deszcze mogą wypłukiwać nawozy sztuczne wykorzystywane na polach uprawnych. Zanieczyszczane są w ten sposób wody powierzchniowe. Opisując procesy zanieczyszczające wody powierzchniowe warto wspomnieć o procesie eutrofizacji, który polega na procesie wzbogacania wód w składniki mineralne poprzez sztuczne lub naturalne procesy. Do głównych składników pokarmowych należą azot, węgiel, fosfor. Na proces eutrofizacji szczególny wpływ maja ścieki pochodzące z aglomeracji miejskich zawierające fosforany wchodzące w skład proszków do prania, ścieki rolnicze (odchody zwierzęce są bogate w potas oraz fosfor, zaś nawozy mineralne zawierają głównie potas, azot oraz fosfor), ścieki odprowadzane z zakładów przemysłowych, wody opadowe, erozja oraz ługowanie gleby. Substancje mineralne, takie jak fosfor są w stanie stymulować masowe rozwijanie się  roślin wodnych, przede wszystkim jest to plankton. W konsekwencji prowadzi to do procesu rozkładu podwyższonych ilości substancji pochodzenia organicznego. Nagły wzrost produkcji pierwotnej oraz duża szybkość procesu rozkładu powodują nieodwracalne zmiany w ilości gatunków flory oraz fauny wodnej. Wody powierzchniowe (jeziora, rzeki) podobnie jak powietrze mogą być objęte monitoringiem. Monitorowanie wód powierzchniowych ma na celu usprawnienie gospodarkami zasobami wodnymi oraz ich ochronę. Próbki do badania są pobierane w określonych odstępach czasowych (dla rzek jest to odstęp miesięczny, zaś w przypadku jezior odstęp półroczny). Przeprowadzane badania monitoringowe mają na celu określić aktualne zanieczyszczenie wód. Służą także do zakwalifikowania badanych cieków wodnych do określonej klasy czystości. Monitoring może być także wykorzystywany podczas przeprowadzania akcji ochroniarskich.

Obojętnie jakiego rodzaju ścieki powinny być przed odprowadzeniem do określonego zbiornika jak najlepiej oczyszczone. Proces oczyszczania ścieków jest przeprowadzany po to, aby wyeliminować jak największą ilość zanieczyszczeń oraz zmniejszyć działanie substancji toksycznych, które są obecne w różnych ilościach. Jest przeprowadzany przed odprowadzeniem ścieków do zbiorników wodnych (jeziora oraz rzeki). Oczyszczone ścieki nie powinny stanowić zagrożenia dla organizmów żywych (zwierzęta, rośliny, ludzie). Nie powinny także swoją szkodliwością uniemożliwiać ich wykorzystanie w gospodarstwach domowych.

Oczyszczanie ścieków możemy przeprowadzać następującymi sposobami:

- sposób mechaniczny;

- sposób biologiczny;

- sposób fizyko-chemiczny.

I stopień oczyszczania- wstępne mechaniczne. Proces ten polega na jak najlepszym usunięciu zanieczyszczeń stałych ze ścieków. Zanieczyszczeniami stałymi mogą być kawałki drewna,

szmaty, odpady kuchenne i inne). Oczyszczalnie mechanicznie oczyszczające ścieki są zaopatrzone w następujące urządzenia: płaskowniki, kraty, osadniki oraz odtłuszczacze. W oczyszczalniach mechanicznych mają miejsce następujące procesy: cedzenie, opadanie (sedymentacja), flotacja, która polega na wypływaniu niezbyt ciężkich substancji na powierzchnię).

II stopień oczyszczania - oczyszczanie biologiczne. Proces ten polega na wykorzystaniu zdolności mikroorganizmów (przede wszystkim bakterii) w procesie rozkładu substancji pochodzenia organicznego, która jest zawieszona w ściekach. Najpowszechniej stosowanymi metodami biologicznymi są: osad czynny oraz złoża biologiczne. II stopień oczyszczania jest przeprowadzany w oczyszczalniach ścieków komunalnych.

III stopień oczyszczania- oczyszczanie fizyko-chemiczne. Proces ten polega na usunięciu związków chemicznych występujących w ściekach w wyniku ich neutralizację przy zastosowaniu odpowiednich reakcji chemicznych oraz fizykochemicznych, takich jak koagulacja, wytrącanie oraz utlenianie). III stopień oczyszczania jest stosowany przede wszystkim w oczyszczalniach ścieków przemysłowych. W naszym kraju ilość działających oczyszczalni jest niewielka. W większości przypadków mamy do czynienia tylko z oczyszczaniem I stopnia oraz oczyszczaniem biologicznym. Tylko w niektórych oczyszczalniach występuje oczyszczanie fizyko-chemiczne.

Badania przeprowadzone w roku 1991 stwierdziły, że w Polsce na 4414 działających zakładów przemysłowych 48% nie posiadało oczyszczalni ścieków. W miastach sytuacja wyglądała jeszcze gorzej. Na 633  miast 355 nie posiadało oczyszczalni, zaś 166 zaopatrzonych było tylko w oczyszczalnie mechaniczną. Tylko 33% wsi na terenie Polski jest zaopatrzonych w instalacje wodociągowe,

6% w kanalizację, zaś 2% w oczyszczalnie ścieków. Wyniki te zmuszają do zastanowieniem się nad stanem polskich zbiorników wodnych. Ogromna ilość polskich rzek oraz jezior jest zanieczyszczona.

Typy zanieczyszczeń, które występują w wodzie

Źródła zasilania wody mogą zawierać bardzo dużo zanieczyszczeń ze względu na zdolność, jaka wykazuje woda w rozpuszczaniu większości związków chemicznych, ale także zdolność podtrzymywania wielu form. Do podstawowych form zanieczyszczeń występujących w surowej wodzie zaliczamy:

- zawiesina stałych cząstek;

- koloidy;

- zmiana przewodnictwa;

- rozpuszczone nieorganiczne sole;

- zanieczyszczania śladowe;

- zmiana pH;

- mikroorganizmy;

- rozpuszczone organiczne związki;

- pyrogeny;

- rozpuszczone w wodzie gazy.

Stałe zawiesiny

W skład zawiesin występujących w wodzie wchodzą zanieczyszczenia muliste, brud pochodzący z rurociągów i koloidów. Związki koloidalne pochodzenia nieorganicznego oraz organicznego nie tworzą zawiesin i roztworów, ale szkodzą wodzie powodując mętność wody. Stan zanieczyszczenia koloidalnego jest określany przy pomocy fouling index (FI), czyli indeksu zablokowania, w którym mierzy się szybkość blokowania standardowego filtra, ewentualnie przy zastosowaniu turbidymetrii. Ostatnia wymieniona metoda ma za zadanie określić całkowitą zawartość zawiesin stałych w wodzie. W czasie tej metody promień świetlny przechodzi przez wodę. Mierzona jest także część światła, która rozprasza się na cząsteczkach zawiesin.

Cząstki zawiesiny są w stanie zablokować membrany osmozy odwróconej, ale także  kolumny analityczne charakteryzujące się małą średnicą. Wpływają także na pracę zaworów i czujników. Dlatego też 10-20-to mikronowe filtr wstępne są dosyć często jako podstawowe składniki systemu oczyszczania wody, aby odfiltrowywać większe cząsteczki. Cząsteczki mniejsze są usuwane podczas stosowania odwróconej osmozy, ultrafiltrację lub filtrację submikronową.

Rozpuszczone związki pochodzenia nieorganicznego

Substancje pochodzenia nieorganicznego występujące w roztworze mogą zawierać sole, które powodują dużą twardość wody. Pochodzą one ze skalnych warstw i są to: wodorowęglany wapnia oraz magnezu, dzięki którym uzyskujemy wzrost "twardości przemijającej”. Siarczany oraz chlorki mogą powodować wzrost "twardości nieprzemijającą". Do innych zanieczyszczeń pochodzenia nieorganicznego zaliczamy: dwutlenek węgla (rozpuszczalny w  wodzie, dzięki temu daje kwas węglowy), krzemiany (wyługowane z koryt piaszczystych rzek), sole sodowe, związki żelazowe oraz żelazawe (pochodzą z minerałów oraz zardzewiałych stalowych rur), chlorki (pochodzące z wtrąceń solnych), aluminium (pochodzące z dozowania chemikaliów oraz z minerałów),  azotany (pochodzące z nawozów), fosforany (pochodzące z detergentów).

Zawartość całkowita stałych rozpuszczonych związków, czyli tzw. TDS - total dissolved solids), to pozostałość, mierzona w mg/l, która otrzymujemy w wyniku tradycyjnej metody odparowania próbek wody do całkowitej suchości oraz ogrzewania jej w temperaturze 180°C. Wyżej wspomniana pozostałość zawiera koloidy, sole wykazujące stabilność w tej wysokiej  temperaturze oraz nielotne związki organiczne. Największa część suchej pozostałości stanowią sole nieorganiczne. Wskaźnik TDS jest stosowany do mierzenia całkowitej ilości związków pochodzenia nieorganicznego, które są obecne w zasilającej wodzie. Wskaźnik ten możemy mierzyć w sposób bezpośredni lub może być oszacowany poprzez pomnożenie przewodnictwa wody w temperaturze 25°C przez współczynnik wynoszący 0,7.

Przewodnictwo

Sole pochodzenia nieorganicznego występujące w wodzie tworzą dodatnio naładowane jony (kationy) i ujemnie naładowanych jonu (aniony). Jony te są w stanie w wodzie przewodzić prąd elektryczny, jeżeli pomiędzy dwie elektrody przyłożymy napięcie. Elektrody są  zanurzone w wodzie. Występuje następująca zależność: im więcej w wodzie mamy do czynienia z jonami, tym większy jest prąd tzn. większą ma wartość przewodnictwo. Jednostkami przewodnictwa są mikrosiemensy na centymetr. Przewodnictwo stosujemy chcą określić jakość wody surowej. Rezystywność to odwrotność przewodnictwa, która wyrażamy w megaomach na centymetr. Jest stosowana w pomiarach jakości wody charakteryzującej się wysoką czystością.

Wartości rezystywności oraz odpowiadające jej wartości przewodnictwa

Rezystywność

Przewodnictwo

18,2

0,055

10

0,1

1,0

1,0

0,1

10

Gdy mamy do czynienia z wartościami przewodnictwa mniejszymi niż 2 mikrosimensy/cm, to próbki muszą być zmierzone "on-line", gdyż woda jest w stanie szybko zabsorbować zanieczyszczenia pochodzące z otoczenia, takie jak: dwutlenek węgla. Wzrasta wówczas  wartość przewodnictwa.

Wartość przewodnictwa oraz rezystywności zależy od panującej temperatury. W temperaturze 25°C woda wykazująca całkowitą czystość charakteryzuje się rezystywnością o wartości  18,2 MW/cm, zaś przewodnictwo ma wartość 0,055 mikrosimensa/cm). Taka wartość wynika tylko z obecności jonów wodorowych oraz wodorotlenowych.

Wraz ze wzrostem temperatury woda charakteryzuje się wyższym przewodnictwem oraz niższą rezystywnością. Nie wynika to jednak z pogarszania się jakości uzdatnianej wody. Wraz ze wzrostem temperatury o 1°C, przewodnictwo wodociągowej wody wzrasta o 2%, zaś dla wody charakteryzującej się wysoką czystością wzrost wynosi 6%. Najczęściej dokonywana jest w praktyce korekta wartości przewodnictwa oraz rezystywności tylko do 25°C. Ma miejsce korekta automatyczna poprzez mierniki przewodnictwa. Są bardzo ważne dla zachowania dokładności pomiaru.

Niewielkie zanieczyszczenia (śladowe)

Rezystywność jest wykorzystywana jako bardzo dobry wskaźnik do ocenienia jakości wody o wysokiej charakteryzującej się dużą czystością, jednakże nie może być stosowana w  określonych krytycznych zastosowaniach. Gdy mamy do czynienia z zanieczyszczeniami na poziomie części na miliard, stosowane są metody analityczne, takie jak: chromatografia jonowa, atomowa spektroskopia absorpcyjna atomowej, plazmowa spektrometria masowa (sprzężenie indukcyjne).

Wartość pH

Przeprowadzanie pomiarów pH wody o wysokiej czystości jest dosyć trudne. Taka woda bardzo szybko wyłapuje ewentualne zanieczyszczenia oraz ma niską konduktancję. Niska konduktancja może spowodować dużą niestabilność pomiarową w większości stosowanych pH-metrów. Niektóre pH-metry mogą być specjalnie skonstruowane do przeprowadzania badań na wodzie o wysokiej czystości. Ilość jonów wodorowych w badanej wodzie wpływa na wartość pH oraz na rezystywność. pH ma określoną wartość dla odpowiedniego odczytu przewodnictwa. W przypadku, gdy rezystywność ma wartość 10 MW/cm, wartość pH wynosi 6,6-7,6. wartość pH wody o dużym stopniu czystości może spaść czasami do wartości 4,5, ponieważ woda pochłania dwutlenek węgla pochodzący z atmosfery. Nawet małe ilości dwutlenku węgla powodują spadek wartości pH o kilka stopni.

Rozpuszczone związki pochodzenia organicznego

Organiczne związki zanieczyszczające wodę powstają w wyniku rozkładu roślinnej materii roślinnej (przede wszystkim są to kwasy huminowe oraz bulwowe), działalności rolnictwa, przemysłu papierniczego, ścieków komunalnych oraz ścieków odprowadzanych z zakładów przemysłowych. W skład tych zanieczyszczeń wchodzą: detergenty, oleje, tłuszcze, rozpuszczalniki, pozostałości pestycydów oraz herbicydów. Czasami bywa tak, że obecne w wodzie związki pochodzenia organicznego są wyługowane z rurociągów oraz zbiorników. Mogą także pochodzić z proszków do prania.

Sposób oczyszczania wody także może być źródłem zanieczyszczeń. Dlatego tez powinien być tak zaprojektowany, aby usuwać zanieczyszczenia z wody zasilającej, jednocześnie nie wprowadzać dodatkowych zanieczyszczeń, które mogą pochodzić w wyniku przeprowadzanego oczyszczania.

Związki pochodzenia organicznego, które są obecne w wodzie często nadają wodzie zabarwienie żółto-brązowe i jednocześnie są w stanie zablokować jonowymienne żywice oraz zanieczyścić wodę już wyprodukowaną. Poziom zanieczyszczenia pochodzenia organicznego jest mierzony przy pomocy testu na absorpcję tlenu, tzw. test OA, czyli oxygen absorber, który wykorzystujące roztwór nadmanganianu potasu. Stosowany jest także test chemicznego zapotrzebowania na tlenu, tzw. COD. Coraz częściej stosuje się analizatory węgla organicznego, tzw. TOC, czyli  total organic carbon). Analizatory te wykazują dużą czułości podczas wykrywania niskich stężeń związków pochodzenia organicznego organicznych w analizowanych próbkach wody. Sprzęt ten jest w stanie zmierzyć całkowicie utleniony węgiel pochodzenia organicznego, tzw. TOC. Woda charakteryzująca się niska zawartością TOC jest szczególnie istotna dla następujących technik: analiza fluoroscencyjna, HPLC. Istotne także jest to, aby woda używana w systemach detekcji ultrafioletowej charakteryzowała się małym poziomem absorpcji światła ultrafioletowego (0,0001 jednostki absorpcyjne przy długości fali 254 nm).

Mikroorganizmy

W wodach powierzchniowych występują różnorodne mikroorganizmy, takie jak: ameby, pierwotniaki, bakterie, wrotki, algi oraz okrzemki. Woda stosowana w pracowniach laboratoryjnych pochodzi z miejskich stacji uzdatniających wodę jest dobrze uzdatniona, aby usunąć mikroorganizmy. Bakterie są najważniejszymi mikroorganizmami dla procesów oczyszczania wody. Średni poziom bakterii w wodzie pitnej zasilającej pracownie laboratoryjną wynosi kolonia/mm. Poziom rozwoju bakterii może być utrzymywany na takim poziomie przy zastosowaniu małej ilości chloru, ewentualnie innej substancji dezynfekującej. Głównymi zadaniami procesu oczyszczania wody w dziedzinie mikrobiologii są:

- usuwanie bakterii obecnych w zasilającej wodzie;

- uniemożliwienie bakteriom przedostanie się do systemu oraz wywołanie ponownego zakażenia;

- zahamowanie rozwoju bakterii w procesie;

- zapewnienie w wyprodukowanej wodzie całkowitej czystości od bakterii.

Bakterie to jednokomórkowe organizmy, które bardzo dobrze potrafią się rozwijać w wodzie stojącej. Są obecne na powierzchniach oraz w powietrzu. Są w stanie przetrwać niesprzyjające warunki i swobodnie się rozwijać w różnych środowiskach. Mogą to być także  rozpuszczone związki pochodzenia organicznego lub nieorganicznego. Bakterie są w stanie przetworzyć żelazo, azot, siarkę, są znakomitym typem organizmów wykorzystujących otaczające ich media. Organizmy te bardzo szybko i łatwo potrafią się rozwijać w wodzie o dużej czystości. Bakterie potrafią przeniknąć do procesu oczyszczania wody z zasilającej wody przez punkty poborowe wody oczyszczonej. Bakterie możemy wykryć oraz policzyć przy pomocy filtru 0,45 mikrona oraz hodowli filtra wraz z bakteriami na odpowiednio przygotowanej pożywce przez okres kilku dni. Ilość bakterii możemy określić w następujących jednostkach - CFU/ml. Bakterie jesteśmy w stanie wyeliminować przy zastosowaniu środków dezynfekujących, takich jak: podchloryn, nadtlenek wodoru, oraz wodorosiarczyn.

Pyrogeny, to fragmenty błony komórkowej bakterii, która wywołuje gorączkę. W przypadku wstrzyknięcia ssakom wody zawierającej pyrogeny, to nastąpi nagły wzrost temperatury całego ciała. Woda farmaceutyczna musi być pozbawiona pyrogenów. Pyrogeny wykazują także niekorzystny wpływ na różnorodne eksperymenty z tkankowymi kulturami. Są wykrywane podczas wstrzykiwania próbki wody specjalnie do tego celu hodowanym królikom oraz monitorowanie wzrostu temperatury lub poprzez test LAL, czyli Limulus Amoebocyte Lysate, który wykazuje czułość na wykrywanie endotoksyn.

Rozpuszczone gazy

Dwutlenek węgla oraz tlen są najczęściej znajdowanymi gazami w naturalnych wodach. Usuwanie dwutlenku węgla nie jest trudne. Związek ten w zachowaniu przypomina słaby anion. Jest usuwany przy pomocy zasadowych żywic jonowymiennych.

Żywice te mogą także usuwać rozpuszczony tlen, zaś poziom tlenu rozpuszczonego w wodzie jest kontrolowany przy zastosowaniu elektrod, które wykazują selektywność na tlen.

Zmienność stanu wody surowej

W przeciwieństwie do innych surowców źródła surowej wody charakteryzują się odmiennością w zależności od obszaru geograficznego oraz od pory roku. Uzyskiwana woda powierzchniowa ze źródeł naturalnych odznacza się niskim TDS oraz jest miękka. Charakteryzuje się także wysokim stężeniem zanieczyszczeń pochodzenia organicznego, głównie koloidalnych. Inna sytuacja występuje w przypadku wody pochodzącej z podziemnych źródeł, gdyż ten typ wody charakteryzuje się wysokim TDS oraz dużym poziomem twardości. Poza tym cechuje się niską zawartością związków pochodzenia organicznego. Podczas badania wody powierzchniowej widoczne są wahania sezonowe.

W czasie jesieni oraz i zimowy spadające liście oraz gnijąca roślinność uwalnia znaczne ilości materii pochodzenia organicznego do jezior, strumieni, oraz innych zbiorników wodnych. W konsekwencji stopień zanieczyszczenia pochodzącego od związków pochodzenia organicznego w powierzchniowych wodach ma największa wartość w styczniu oraz w lutym, zaś w lipcu i w sierpniu osiąga minimum.