Zanieczyszczenia wód i sposób ich usuwania

Woda jest najważniejszym związkiem chemicznym z punktu widzenia organizmów żywych. Gdyby nie ona, nie powstałoby życie na Ziemi. Wchodzi w skład niemal wszystkich organizmów żywych. Jest związkiem, który jest niezbędny w większości zachodzących w nich procesach biochemicznych. Przez człowieka jest wykorzystywana nie tylko jako konieczny składnik pożywienia. Stosuje się ją do wielu innych celów, chociażby takich jak codzienna higiena. Woda jest również wykorzystywana niemal we wszystkich gałęziach przemysłu. Jest również źródłem energii. Jest głównym czynnikiem kształtującym środowisko naturalne, a co za tym idzie warunkującym działalność człowieka. Woda występująca w środowisku zawiera również w sobie inne substancje i to zarówno w formie rozpuszczonej, jak i w formie zawiesin. Niektóre z tych substancji są pochodzenia naturalnego, inne są już wynikiem działalności człowieka. Część z tych substancji jest konieczna do prawidłowego funkcjonowania organizmu (np. sole mineralne), a część może być szkodliwa, a nawet toksyczna. Mimo wszystko, zbiorniki wodne są niestety niejednokrotnie w znacznym stopniu zanieczyszczone, co w wielu przypadkach sprawia, że jest ona niezdatną do użycia. Zaopatrujący się w wodę ludzie korzystają głownie z zasobów wód powierzchniowych oraz, zalegających płytko pod powierzchnią gruntu, wód podziemnych. Po wykorzystaniu woda wraca z powrotem do środowiska. Niestety jest już wówczas niejednokrotnie bogatsza o różnego rodzaju substancje, zarówno nieorganiczne, jak i organiczne. Wraz z rozwojem i wzrostem uprzemysłowienia terenów wzrasta również ilość zanieczyszczonych wód odprowadzanych do środowiska.

Zanieczyszczenie środowiska powoduje zwykle zakłócenie równowagi ekosystemu. Rozróżnia się zanieczyszczenia fizyczne, chemiczne oraz biologiczne. Pod pojęciem zanieczyszczeń fizycznych rozumie się przede wszystkim zanieczyszczenia radioaktywne oraz zmiany termiczne. W momencie, gdy do środowiska przedostaną się izotopy promieniotwórcze, to po jakimś czasie pojawiają się one w postaci opadu radioaktywnego. Wywołuje to już bezpośrednio skażenie gleb, wód, oraz szkodliwe działania na organizmy żywe (roślinność, zwierzęta i ludzi). Źródłami promieniowania, wytworzonymi przez człowieka są przede wszystkim reaktory jądrowe. Oczywiście samo ich użytkowanie we właściwy sposób nie jest niebezpieczne dla środowiska. Dopiero niekontrolowane reakcje zachodzące w reaktorach w wyniku np. awarii (np. awaria w Czarnobylu na Ukrainie), stanowi duże zagrożenie dla środowiska. Jednak sama produkcja materiałów radioaktywnych może powodować pewne szkody w środowisku. Dużym problemem jest odpowiednie składowanie odpadów promieniotwórczych. W wyniku nieodpowiedniego ich przechowywania może dojść do niekontrolowanego skażenia gleb, oraz wód i zaburzenia równowagi biologicznej w nich panującej. Najczęstszymi zanieczyszczeniami środowiska naturalnego, także wód, są różnego rodzaju związki chemiczne emitowane do otoczenia (tzw. zanieczyszczenia chemiczne). Źródłem zanieczyszczeń tego typu są między innymi procesy spalania różnego rodzaju paliw stałych i płynnych i to zarówno w różnych gałęziach przemysły, jak i w gospodarstwach rolnych i domowych. Emitowane są wówczas do atmosfery szkodliwe pyły i gazy, które następnie spadają na powierzchnię Ziemi, zanieczyszczając gleby i wody. Bezpośrednio do wód odprowadzane są ze ściekami różne szkodliwe substancje w postaci rozpuszczonej lub w formie zawiesin. Wody powierzchniowe zanieczyszczane są przede wszystkim odprowadzanymi do nich ściekami, wodami opadowymi, które spłukują spłukującymi z powierzchni gleb, dróg i ulic różnego rodzaju substancje, niejednokrotnie szkodliwe. Ścieki i spływy są odprowadzane z reguły do odbiornika, którym jest rzeka lub jezioro. Nazywane są one zanieczyszczeniami punktowymi. Ścieki zawierają w sobie wiele substancji w postaci zawiesin, koloidów a także związków w formie rozpuszczonej. Występują w nich w również niejednokrotnie w bardzo dużych ilościach bakterie, wirusy, pasożyty, grzyby, tworzące zanieczyszczenia biologiczne, które zostaną nieco szerzej omówione później. Rozróżnia się trzy główne rodzaje ścieków: bytowo-gospodarcze, miejskie i przemysłowe. Najbardziej negatywne działanie mają niewątpliwie odprowadzane do wód różnego rodzaju ścieki przemysłowe. Na stopień zanieczyszczenia wód powierzchniowych ma również wpływ powietrze atmosferyczne. Między atmosferą a wodą zachodzi proces wymiany gazów, przede wszystkim tlenu i dwutlenku węgla. W momencie, gdy woda zawiera w sobie zbyt niską ilość tlenu, wówczas dyfunduje on z powietrza. Należy również pamiętać o wielkich ilościach szkodliwych substancji dostających się do wód w wyniku różnego rodzaju katastrof, czy awarii. Najlepszym przykładem mogą być tu katastrofy tankowców, przewożących ogromne ilości ropy naftowej i produktów z niej uzyskanych. W momencie, gdy dostają się one do wód powodują znaczną degradację środowiska i śmierć wielu gatunków zwierząt. Trzecią podstawową grupą zanieczyszczeń wód są zanieczyszczenia biologiczne. Terminem tym określa się wprowadzane do wód zanieczyszczenia zawierające wirusy, bakterie i inne organizmy chorobotwórcze. Jak już wcześniej wspomniano, głównym ich źródłem są ścieki bytowo-gospodarcze. W ściekach tego typu zwykle występują bakterie, które sprzyjają pojawianiu się chorób zakaźnych.

Naturalne wody zawierają w formie rozpuszczonej różnego rodzaju sole. Spośród kationów licznie występujących w wodach należy wymienić kation magnezu Mg²⁺ oraz wapnia Ca²⁺. Spośród anionów najliczniejsze są wodorowęglany HCO₃^-, chlorki Cl^- oraz siarczanySO₄^2-. Sole te wywołują zjawisko zwane twardością wody, które może w znacznym stopniu utrudniać wykorzystanie wody w wielu dziedzinach, chociażby w myciu i praniu (utrudnia pienienie się mydła i detergentów). Rozróżnia się tzw. twardość przemijającą, którą wywołują przede wszystkim wodorowęglany, oraz twardość trwałą, wywołaną przez inne sole. Twardość przemijająca może zostać usunięta poprzez zagotowanie wody. W wyniku tego procesu, w podwyższonej temperaturze, wodorowęglany przechodzą w dużo trudniej rozpuszczalne węglany, które zazwyczaj osadzają się na ścianach zbiornika, tworząc tzw. kamień kotłowy. Proces ten można schematycznie przedstawić przy pomocy poniższego równania:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂+ H₂O

Twardość przemijająca może być również usunięta w wyniku wprowadzenia do wody roztworu zasadowego. Proces ten schematycznie przedstawia poniższe równanie.

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ →2CaCO₃+ 2H₂O

Twardość trwała może być usunięta przy pomocy destylacji, jednak metoda ta charakteryzuje się stosunkowo wysokimi kosztami. Na skalę przemysłową stosuje się demineralizację wody przy pomocy tzw. wymieniaczy jonowych. Są one substancjami o bardzo skomplikowanej budowie, które mają zdolność wymiany poszczególnych kationów metali na kationy H⁺ (tzw. kationity) i anionów na aniony OH^- (tzw. anionity).

Aby woda mogła być używana przez człowieka, zwłaszcza do celów spożywczych, w wielu przypadkach musi przejść proces uzdatniania. Uzdatnianie wody dla potrzeb niewielkiej ilości gospodarstw, a nawet osiedli mieszkaniowych nie jest zwykle wielkim problemem. Zarówno wielkość, jak i rodzaj zastosowanych w tym celu urządzeń zależy przede wszystkim od rodzaju usuwanych zanieczyszczeń oraz planowanej wydajności. Zdecydowana większość procesów uzdatniania wody przeprowadzana jest w specjalnych instalacjach, złożonych miedzy innymi ze specjalnych urządzeń, w których prowadzi się różnego rodzaju procesy technologiczne. Należy do nich między innymi:

•   Usuwanie zanieczyszczeń mechanicznych przy pomocy urządzeń zwanych filtrami.
•   Zmniejszanie zawartości niektórych pierwiastków, np. żelaza i manganu - tzw. odżelaziacze.
•   Usuwanie twardości wody - zmiękczanie.
•   Usuwanie rozpuszczonych w wodzie zanieczyszczeń przy pomocy wymieniaczy jonowych lub procesu odwróconej osmozy.
•   Dezynfekcja (usuwanie zanieczyszczeń biologicznych) poprzez działanie promieniami UV.
•   Czasami przeprowadza się również wzbogacanie zdemineralizowanej wody w mikroelementy niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu.

Pod względem wydajności, instalacje dzieli się z reguły na:

•   Małe, będące najczęściej filtrami mechanicznymi,
•   Średnie, montowane zwykle np. pod zlewozmywakiem obsługujące tylko jedną baterię ewentualnie także baterię dodatkową. Zwykle są to filtry mechaniczne, czasami dodatkowo wyposażone w układ do przeprowadzania odwróconej osmozy,
•   Duże, które montowane są na rurociągu, który doprowadza wodę do całego budynku. Składają się z urządzeń umożliwiających pełne uzdatnianie wody, łącznie z dezynfekcją promieniami UV,
•   Przemysłowe, które instalowane są w specjalnych, wydzielonych pomieszczeniach i dostosowane są do zaopatrywania większych zespołów mieszkaniowych a nawet obiektów przemysłowych o specjalnym przeznaczeniu.

Bardzo ważnym zagadnieniem związanym z zanieczyszczeniami wody jest oczyszczanie ścieków. Jak już wcześniej wspomniano, ścieki to zużyte ciecze (roztwory, zawiesiny, koloidy), a także ciała stałe, które odprowadzane są przy pomocy specjalnych rurociągów do odbiorników, którymi mogą być zbiorniki wodne lub cieki. W postaci ścieków odprowadzane są między innymi zużyte substancje przemysłowe, a także odpady żywnościowe i fekalia z gospodarstw domowych. Ścieki wykazują zwykle wysoką szkodliwość biologiczną, dlatego właśnie przed odprowadzeniem do odbiorników powinny zostać one poddane oczyszczeniu w specjalnie do tego celu przeznaczonych oczyszczalniach. Niestety w wielu krajach, również w Polsce, pomimo dużego postępu w tej dziedzinie, nadal nie wszystkie ścieki są poddawane procesowi oczyszczania. Doprowadziło to w konsekwencji do zatrucia niektórych naturalnych cieków wodnych. Niektóre z nich stały się nawet martwymi kanałami ściekowymi, których wody nie mieszczą się w żadnej klasie czystości. Obecnie, coraz więcej zakładów przemysłowych coraz bardziej racjonalizuje zużycie wody. Polega to przede wszystkim na stosowaniu zamkniętych obiegów wody, oraz stosowanie rozmaitych metod oczyszczania własnych ścieków.

Ścieki przemysłowe powstają w wyniku przeprowadzania rozmaitych procesów technologicznych w wielu gałęziach przemysłu. W celu oceny ewentualnej szkodliwości tych ścieków konieczna jest znajomość nie tylko składu ogólnego odpływu z całego zakładu, ale również skład wszystkich strumieni, jakie wypływają z poszczególnych działów. Bardzo istotnym parametrem produkcji jest z punktu widzenia gospodarki ściekami ilość ścieków, jaka przypada na jednostkę wytwarzanego w danym zakładzie produktu. Znajomość wszystkich parametrów, zarówno ilościowych, jak i jakościowych ścieków pozwala na ocenę niezbędnego stopnia ich oczyszczenia, przy którym odprowadzenie ich do odbiornika nie spowoduje żadnego pogorszenia się czystości wody. Szczególnie pożądaną jest sytuacja, pozwalająca na uzyskanie jeszcze lepszej czystości ścieków niż czystość wody w odbiorniku. Ograniczeniem jest oczywiście cena i konieczność zachowania umiaru, by nie powiększać w nadmiernym stopniu kosztów produkcji. Problem utylizacji ścieków występuje szczególnie w takich zakładach przemysłowych, jak koksownie, zakłady petrochemiczne, garbarnie, celulozownie, mleczarnie, czy cukrownie, a nieoczyszczone ścieki z tych zakładów mogą stanowić duże zagrożenie dla naturalnych odbiorników. W ściekach występuje zwykle ogromna ilość różnych związków chemicznych. Do najczęściej występujących związków organicznych zaliczane są rozmaite białka, węglowodany, tłuszcze, oleje, żywice, a także barwniki, fenole, różnego rodzaju produkty naftowe, detergenty, pestycydy i wiele innych. Związkami nieorganicznymi wchodzącymi w skład ścieków są przede wszystkim zasady, kwasy nieorganiczne, a także metale ciężkie (np. ołów, miedź, rtęć, cynk, kadm, chrom), chlor, siarkowodór, i wiele innych. Różnorodność związków organicznych i nieorganicznych zawartych w ściekach powoduje, iż czasami mają one specyficzne właściwości, takie jak mętność, barwa, zapach itp. Również często obserwowane pienienie się ścieków spowodowane jest występowaniem w nich substancji powierzchniowo czynnych, zmniejszających napięcie powierzchniowe wody. Są to na ogół różnego rodzaju detergenty i mydła. Ścieki przemysłowe są na ogół pozbawione bakterii chorobotwórczych, dlatego zwykle nie stanowią one zagrożenia sanitarno-epidemiologicznego. Wyjątkiem są ścieki emitowane z niektórych zakładów, szczególnie przemysłu spożywczego, garbarni oraz zakładów utylizacji odpadów. Tego typu ścieki powinny zastać następnie poddane procesom dezynfekcji, w celu usunięcia chorobotwórczych drobnoustrojów.

Parametrem, który określa ilość zanieczyszczeń zawartych w ściekach jest tzw. biochemiczne zapotrzebowanie tlenu, w skrócie BZT. Jest to ilość tlenu rozpuszczonego w wodzie, która zostaje zużyta przez bakterie tlenowe w ciągu danego czasu. Średnio około 50% zanieczyszczeń zostaje utlenione w wyniku działania bakterii w przeciągu 3 dni. Po około 20 dniach proces uważa się za zakończony. Czas 5 dni jest zwykle reprezentatywny do wyznaczenia charakterystyki zapotrzebowania tlenu (BZT5). Wielkość tę oznacza się tzw. metodą rozcieńczeń lub metodą manometryczną. Kontrolę procesu oczyszczania ścieków przeprowadza się poprzez wyznaczenie parametru BZT5 zarówno na wlocie, jak i na wylocie wody z oczyszczalni.

W celu kompleksowego oczyszczenia ścieków, stosowane są metody mechaniczne, chemiczne oraz biologiczne. Czasami stosuje się również metody mieszane, a także dezynfekcję. W zależności od rodzaju ścieków proces oczyszczania przeprowadzany jest takimi metodami, by w miarę możliwości przy minimalnych kosztach uzyskiwać najwyższy możliwy stopień oczyszczenia. Metody mechaniczne pozwalają na usunięcie grubszych zawiesin związków organicznych i mineralnych, a także ciał pływających. Usuwane są one przy użyciu krat, różnego rodzaju sit, piaskowników, tłuszczowników, a także osadników. Kraty i sita są przegrodami mechanicznymi ustawionymi na drodze przepływu ścieków. Osadzają się na nich zanieczyszczenia (na kratach grubsze frakcje, na sitach drobniejsze), które są następnie usuwane ręcznie lub mechanicznie. Piaskowniki zatrzymują zwykle cięższe zanieczyszczenia ziarniste. Należą do nich między innymi piaski, muły węglowe itd. Stosuje się w tym celu tzw. piaskowniki płaskie lub wirowe. Odpiaszczone ścieki są następnie dalej transportowane, a kolejnymi urządzeniami, jakie spotykają na swej drodze są tzw. Tłuszczowniki. Są to urządzenia służące do oddzielania zanieczyszczeń charakteryzującymi się gęstościami mniejszymi od gęstości wody. Sprawia to, iż unoszą się one na jej powierzchni. Tłuszczowniki mają postać basenu, przez który przepływają ścieki ze zmniejszoną prędkością. Umożliwia to wypłynięcie tłuszczu na powierzchnię cieczy. W celu ułatwienia tego procesu, wprowadzane są czasami do cieczy pęcherzyki powietrza, które unosząc się ku powierzchni porywają ze sobą cząstki tłuszczu. Warstwa tłuszczów lub olejów zbierana jest następnie przez systemem odpowiednich przelewów lub czerpaków. Kolejnego typu urządzenia, tzw. osadniki służą do usuwania ze ścieków zanieczyszczeń łatwo opadających na dno. Oczyszczanie odbywa się tu w sposób ciągły a wykorzystuje się przede wszystkim działanie sił grawitacyjnych. Ścieki oczyszczone w osadnikach mają już wyraźnie obniżoną wartość parametru BZT5.

Ścieki przemysłowe, zawierające chemiczne związki organiczne i nieorganiczne (np. metale ciężkie) oczyszczane są z wykorzystaniem różnych metod fizyko-chemiczne i chemiczne. Zalicza się do nich przede wszystkim koagulację, neutralizację, ekstrakcję, sorpcję, elektrolizę oraz destylację. W zależności od składu konkretnych ścieków i ich rodzaju, można prowadzić oczyszczanie jedną albo kilkoma z podanych powyżej metod. Koagulacja polega z grubsza na łączeniu cząstek koloidalnych w większe zespoły, w wyniku czego tworzy się osad. Czynnikami powodującym koagulację mogą być między innymi dodatek elektrolitu, dodatek innego koloidu, odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego, a czasami nawet ogrzewanie lub wytrząsanie. W wyniku przeprowadzenia koagulacji, uzyskuje się ścieki oczyszczone w znacznym stopniu. Metodę tę stosuje się zwykle do oczyszczania ścieków produkowanych przez przemysł włókienniczy, garbarski i chemiczny. Neutralizacja jest metodą, polegającą na zobojętnianiu ścieków o danym odczynie przy pomocy roztworów o odczynie przeciwnym. Do zobojętniania ścieków o odczynie zasadowym wykorzystuje się między innymi kwaśne gazy spalinowych, powstające w wyniku spalania paliw zasiarczonych. Do zobojętniania o odczynie kwaśnym używa się między innymi mleka wapiennego albo gazów odpadowych, w skład których wchodzi amoniak.

Wszystkie procesy oczyszczania ścieków mają na celu uniknięcie konieczności odprowadzania zanieczyszczeń bezpośrednio do naturalnych zbiorników wodnych, co jest wysoce szkodliwe dla środowiska naturalnego. Mimo rozwoju techniki i pojawiania się coraz nowocześniejszych metod pozwalających na usuwanie szkodliwych substancji, jest jeszcze bardzo dużo do zrobienia w tej dziedzinie.