technologia uzdatniania wody znaczenie, metodologia, perspektywy

Marek M. SOZAŃSKI∗
Słowa kluczowe: woda, rozwój zrównoważony,
technologia uzdatniania wody
TECHNOLOGIA UZDATNIANIA WODY
ZNACZENIE, METODOLOGIA, PERSPEKTYWY
Podano charakterystyczne cechy Technologii Uzdatniania Wody jako dyscypliny nauki, mającej
istotny wpływ na zdrowie publiczne oraz ściśle zintegrowanej z ochroną środowiska i z rozwojem
współczesnej cywilizacji. Przedstawiono koncepcję metodologiczną Technologii Uzdatniania Wody
opartą na założeniu stałości stawianych celów i funkcji dyscypliny oraz zmienności stosowanych
metod i technologii uwarunkowanych jej rozwojem.
1. ROLA WODY W FUNKCJONOWANIU ŚRODOWISKA
NATURALNEGO
Znaczenie Technologii Uzdatniania Wody, jako dyscypliny nauki pozostaje
w ścisłej relacji do fundamentalnego znaczenia wody, jako substancji
o właściwościach zdumiewająco dostosowanych do potrzeb życia i funkcjonowania
całego środowiska naturalnego. Do podstawowych desygnatów stawiających wodę na
pierwszym miejscu w rankingu najważniejszych minerałów Ziemi należy zaliczyć:
− obieg wody w środowisku naturalnym - cykl hydrologiczny, uruchamiany
przez energię promieniowania słonecznego, w którym woda posiadając
nadzwyczaj dużą pojemność cieplną w stosunku do wszystkich innych substancji i
minerałów pełni funkcję akumulatora i transportera energii cieplnej oraz
stabilizatora temperatury,
− fotosyntezę – przekształcającą wodę i dwutlenek węgla, przy obecności chlorofilu
oraz inicjującym działaniu energii słonecznej, w tlen oraz wysokoenergetyczne
węglowodany, odgrywając tym samym istotną rolę w regulacji zawartości
dwutlenku węgla i tlenu w atmosferze, jak i w przemianie promieniowania
słonecznego w energie chemiczną gromadzoną w biomasie.
System hydrologiczny środowiska naturalnego w skali globalnej składa się
z bardzo dużej liczby przejść termodynamicznych, między stanami równowagi
nieliniowych przemian fazowych wody określonych równaniem ClapeyronaClausiusa. Z powyższych względów woda jako jedyny związek chemiczny
występujący na Ziemi w trzech stanach skupienia, dzięki swoim spektakularnym
∗
Instytut Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej, ul. Piotrowo 5 60-965 Poznań.
właściwościom i systemowi hydrologicznemu, odgrywa podstawową rolę
w wymianie energii i materii oraz w utrzymaniu równowagi chemicznej,
termicznej i biologicznej w środowisku naturalnym - ekosystemie. Należy także
podkreślić, iż woda w systemie hydrologicznym podlega naturalnym procesom
uzdatniania i redystrybucji, które prowadzą do ciągłego odnawiania jej zasobów.
Procesy, które to powodują to głównie parowanie, kondensacja, skraplanie,
infiltracja. W rozwoju cywilizacyjnym człowiek zawsze naśladował przyrodę.
Również współczesna cywilizacja techniczna – technosystem, zawiera wiele
rozwiązań i elementów wziętych z w/w środowiskowego systemu transportu
i dystrybucji energii i masy.
2. ZAOPATRZENIE W WODĘ, JAKO KRYTERIUM OCENY OCHRONY
ŚRODOWISKA I ROZWOJU WSPÓŁCZESNEJ CYWILIZACJI
Spektakularny rozwój współczesnej gospodarki – cywilizacji technicznej,
w tym nauki i inżynierii, oparty głównie na badaniach i wykorzystaniu środowiska
naturalnego, a w szczególności zjawisk i procesów jego funkcjonowania, prowadzi do
zasadniczego wniosku, iż energia i woda to podstawowe – pierwotne czynniki
przyczynowe tego rozwoju. Stąd też analiza tych czynników odgrywa podstawową
rolę w wyjaśnianiu i przewidywaniach funkcjonowania środowiska naturalnego oraz
gospodarki w skali globalnej, prowadząc do redefinicji istniejących zagrożeń jak
i redefinicji pojęcia postępu.
System energetyczny środowiska naturalnego zdeterminowany czystą
ekologicznie energią promieniowania słonecznego, klasyfikuje się do systemów
otwartych, wymieniających energię z otoczeniem tj. z przestrzenią kosmiczną.
Również technosystem – współczesna gospodarka światowa, który powstał i rozwinął
się na bazie energii paliw kopalnych – węglowodorowych, jest systemem
otwartym w stosunku do otoczenia jakim jest środowisko naturalne. Powszechnie
znany jest związek między spalaniem paliw kopalnych, a stanem środowiska
naturalnego, w szczególności zanieczyszczeniem atmosfery.
Z kolei pod względem wymiany masy środowisko naturalne w skali globalnej
jest systemem zamkniętym. Wprawdzie wiele podsystemów biologicznych
środowiska naturalnego w interpretacji indywidualnej można uznać za otwarte, to
jednak ich zintegrowane działanie, w którym produkty odpadowe „jednych” są
surowcami „drugich” powoduje, iż w finalnym efekcie tworzą one ekosystem
zamknięty. Technosystem jest natomiast systemem otwartym, ponieważ zarówno
surowce jak i odpady są sekwencyjnie pobierane i odprowadzane do otoczenia, tzn.
do środowiska naturalnego. Poszczególne podsystemy techniczne mogą być
i najczęściej są powiązane ekonomicznie, ale nie są zintegrowane termodynamicznie,
przez co nie tworzą systemu zamkniętego. Te właściwości technosystemu, opartego
na nieodnawialnych paliwach kopalnych i wytwarzającego ogromne ilości odpadów,
doprowadziły do bardzo dużego obciążenia – skażenia środowiska naturalnego
w skali globalnej, przekraczającego jego pojemność buforową. Do najbardziej
znanych strategii postępowania, przeciwdziałających degradacji środowiska
zaliczamy:
− koncepcję ekorozwoju – przedstawioną w 1972 roku na konferencji ONZ
w Sztokholmie, w której ochronę środowiska uznano za podstawowy warunek
dalszego rozwoju cywilizacji,
− koncepcje rozwoju zrównoważonego – opracowaną w 1987 roku przez
Światową Komisję ds. Środowiska i Rozwoju, powołaną przesz Zgromadzenie
Ogólne ONZ w 1983, która pod przewodnictwem pani Gro Harlem Brundtland
potwierdziła tezy ekorozwoju, wskazując jednak iż warunkiem osiągnięcia
sukcesu w zakresie ochrony środowiska jest równoczesne zrównoważenie
rozwoju gospodarczego z rozwojem społecznym w skali globalnej.
Raport Komisji Brundtland podaje jednoznaczną interpretację rozwoju
zrównoważonego, który nie jest tożsamy z ekorozwojem, stąd też te dwa terminy nie
mogą być stosowane zamiennie. Raport ten w pełni zaakceptowany na Szczycie
Ziemi w Rio de Janeiro (1992r.) w uzasadnieniu wskazuje, iż równoczesny rozwój
gospodarczy i społeczny oraz ochrona środowiska, jest warunkiem osiągnięcia
wyższej jakości życia przez wszystkich ludzi, a więc i wartości oraz trwałości
rozwoju cywilizacji. Uzasadniając trafność tej koncepcji rozwoju a zarazem
konfrontując ją ze stanem współczesnego świata, należy stwierdzić m.in., iż około 1,5
mld ludzi nie ma dostępu do czystej wody do picia o jakości określonej przez
współczesne standardy, 30 mln ludzi umiera rocznie z powodu chorób
spowodowanych wodą niezdatną do picia, 2,5 mld ludzi żyje w złych warunkach
sanitarnych z powodu braku dostępu do kanalizacji. Przedstawione informacje:
− stanowią genezą redefinicji postępu zgodną z koncepcją rozwoju
zrównoważonego przedstawioną w Raporcie Komisji Brundtland,
− wskazują na zaopatrzenia w wodę do picia o jakości określonej przez
współczesne standardy, jako na działalność będącą podstawowym kryterium
oceny jakościowej zarówno rozwoju gospodarki, standardu życia
społeczeństwa, jak i stanu, w więc i ochrony środowiska naturalnego.
Technologia uzdatniania wody, stanowiąca integralną część systemu zaopatrzenia
w wodę, jest ściśle powiązana z jakością wody ujmowanej, zależnej od stanu
środowiska naturalnego. Należy również podkreślić, iż współczesne prognozy
wskazują na niedobory wody użytkowej w wielu regionach świata, które mogą
okazać się najbardziej niedocenianym problemem ekologicznym XXI wieku.
Symptomem tych prognoz jest m.in. dramatycznie obniżający się poziom wód
gruntowych na wszystkich kontynentach, np. w Chinach, w Indiach.
Fakty te, świadczące o wzajemnych relacjach miedzy poziomem rozwoju
systemów zaopatrzenia w wodę, a rozwojem gospodarczym i standardami życia
społeczeństwa, uzasadniają racjonalność przyjęcia zaopatrzenia w wodę jako
pośredniego kryterium oceny zarówno rozwoju cywilizacji, jak i ochrony
środowiska naturalnego.
3. TECHNOLOGIA UZDATNIANIA WODY – ZNACZENIE, CELE,
METODY, TRANSFORMACJE ROZWOJOWE
Zdrowie każdego człowieka jest podstawowym biologicznym kryterium
jakości życia, na które zasadniczy wpływ ma czysta i zdrowa woda. W tym aspekcie
jakość życia człowieka przestaje być wyłącznie jego sprawą prywatną, a staje się
sprawą publiczną. Wprowadzenie centralnego zaopatrzenia w wodę, w okresie
tzw. „walki z epidemiami wodnymi” na przełomie XIX i XX wieku, w szczególności
w dużych miastach, wymagało zaangażowania znacznych środków o charakterze
publicznym, podnosząc dzięki temu w sposób radykalny ich stan sanitarny i higienę
życia ludności. Zebrane w wyniku tych działań doświadczenia wskazują, iż
problematyka zdrowia publicznego i medycyny zapobiegawczej musi być
rozpatrywana i rozwiązywana wspólnie z zagadnieniami środowiska naturalnego,
a inwestycje dotyczące zakładów uzdatniania wody stanowią najkorzystniejsze
inwestycje także w aspekcie poprawy stanu zdrowia publicznego,
Do podstawowych celów Technologii Uzdatniania Wody, określających
przedmiot i motywy jej działania jako współczesnej dyscypliny nauki, zaliczamy:
− dezynfekcję jako niszczenie patogennych mikroorganizmów,
− usuwanie cząstek łącznie z koloidalnymi
− obniżanie ogólnego węgla organicznego (OWO),
− usuwanie domieszek chemicznych,
− osiągnięcie biologicznej i chemicznej stabilności wody,
− spełnienie wymagań estetyczno-organoleptycznych.
Właściwa jakość biologiczna wody, w tym wirusologiczna, bakteriologiczna
i parazytologiczna jest podstawowym i pierwszym kryterium jej przydatności do
spożycia. Stąd też waga dezynfekcji jako podstawowego i pierwszego celu
uzdatniania wody. Mikrobiologiczne zanieczyszczenie wody w procesach jej
uzdatniania, a w szczególności w procesie dezynfekcji, winno być szczególnie
konsekwentnie i starannie eliminowane, ponieważ powoduje ono nagłe i jednoczesne
występowanie infekcji u znacznej liczby ludzi. Prace badawcze nad właściwą
biologiczną jakością wody oraz nad skuteczną jej dezynfekcją prowadzone są
głównie w kierunku:
• poznania genetycznej plastyczności mikroorganizmów jako cechy ich zmiennej
oporności na dezynfekcję,
• wyznaczenie organizmów wskaźnikowych obejmujących wszystkie patogenne
drobnoustroje (nie tylko bakterie) oraz ich ranking oporności na dezynfekcję,
• identyfikacji produktów ubocznych, tworzących się w procesach chemicznego
utleniania i dezynfekcji prowadzonej metodami chemicznymi, ich właściwości
toksycznych oraz warunków powstawiania,
• poznanie możliwości mechanizmu i warunków podezynfekcyjnego
uaktywnienia się drobnoustrojów, np. po procesie dezynfekcji promieniami UV,
• określenia metod skutecznej dezynfekcji wody, w funkcji efektów uzdatniania
wody poprzedzającej dezynfekcję, z uwzględnieniem przeciwdziałania
możliwości jej wtórnego zanieczyszczenia w sieci wodociągowej.
Przedstawione informacje wskazujące na dezynfekcję wody jako na proces
o priorytetowym znaczeniu, definiują jakoby od nowa cele, funkcję i role
dezynfekcji w całej technologii uzdatniania wody. To nowe spojrzenie na
dezynfekcję polega na:
− rozszerzeniu celu dezynfekcji wody, zarówno jako procesu niszczenia
drobnoustrojów w szczególności chorobotwórczych, jak i na proces
zabezpieczania wody – „konserwowania wody”, przed jej wtórnym
zakażeniem podczas przebywania w sieci wodociągowej,
− przyjęciu tego procesu jako kryterium oceny efektywności uzdatniania wody
umożliwiającego skuteczną i bezpieczną dezynfekcję bez tworzenia się
ponadnormatywnych stężeń produktów ubocznych,
− określenie roli dezynfekcji, jako ogniwa pośredniego między poprzedzającym go
układem procesów uzdatniania wody oraz siecią wodociągową, definiowaną
jako specyficzny reaktor hydrobiochemiczny i mikrobiologiczny.
Ryzyko zdrowotne spowodowane zanieczyszczeniem wody związkami
chemicznymi, w tym toksycznymi mikrozanieczyszczeniami sytuuje się niżej
w stosunku do mikrobiologicznych zanieczyszczeń, ponieważ zanieczyszczenia
chemiczne wywołują niepożądane skutki zdrowotne dopiero w wyniku długotrwałego
działania. Akceptowalny poziom ryzyka utraty zdrowia, spowodowany
toksycznymi mikrozanieczyszczeniami, wyrażony jest prawdopodobieństwem (10-5)
występowania jednego dodatkowego przypadku śmiertelnego w określonej populacji
ludzi (100 tys.) w całym okresie ich życia (70 lat). Akceptowalne ryzyko jest
arbitralną decyzją podejmowaną relatywnie w funkcji poziomu istniejących
czynników zdrowotnych, społecznych i ekonomicznych, zależnych od rozwoju
cywilizacyjnego. Reguła ta stanowi podstawę opracowywanych zaleceń,
rozporządzeń i dyrektyw określających jakość wody do picia, mając wpływ na
określenie efektów uzdatniania wody w tym zakresie.
Te współczesne spojrzenia na dezynfekcję, na jakość biologiczną i chemiczną
wody do picia, kształtują aktualne tendencje rozwoju Technologii Uzdatniania
Wody. Całkowity cel uzdatniania jakim jest transformacja jakości wody ujmowanej
w jakość wody do picia zgodnie z zasadą dekompozycji dzieli się na cele cząstkowe
realizowane w poszczególnych procesach uzdatniania wody połączonych szeregowo.
Podstawowym zagadnieniem jest tu optymalny dobór i sekwencja procesów
w systemie, według której w odpowiedniej kolejności są realizowane cele
technologiczne. W działaniach tych istotnym jest, aby zaprojektowany system
technologiczny uzdatniania wody podczas eksploatacji działał niezawodnie, także
w warunkach występowania nagłego zanieczyszczenia źródła wody. Można to
osiągnąć poprzez stosowanie technologii spełniającej warunek systemu
wielostopniowych barier w stosunku do usuwanych zanieczyszczeń,
projektowanych według zasad wywodzących się z teorii niezawodności.
W systemach takich o złożonej strukturze technologicznej dąży się na ogół do:
− preferowania procesów biologicznych i fizycznych, np. BAFW, procesów
membranowych głównie mikrofiltracji i ultrafiltracji ograniczając dzięki temu
tworzenie się produktów ubocznych,
− zastosowania infiltracji w układzie z basenami nawadniającymi, jako
wysokoefektywnego
i
bezreagentowego
procesu
uzdatniania
wód
powierzchniowych wraz z modyfikacją ich właściwości do właściwości wód
podziemnych,
− dwu lub trójpunktowego chemicznego utleniania głównie ozonowania
z mniejszymi dawkami w sekwencji przemiennej z koagulacją, filtracją
pospieszną i BAFW,
− maksymalizacji efektów klasycznych procesów uzdatniania wody,
w szczególności koagulacji i filtracji pospiesznej przez optymalizację warunków
ich realizacji.
Projektowanie takich systemów technologicznych opiera się na badaniach
technologicznych, realizowanych w skali pilotowej z wykorzystaniem metod
modelowania, symulacji i sterowania.
Do istotnych problemów współczesnej Technologii Uzdatniania Wody zalicza się
także te, które wynikają z interakcji między jakością wody uzdatnionej, a siecią
wodociągową, niekorzystnie wpływających na jakość wody u odbiorcy. Zasady
ochrony wody uzdatnionej przed jej wtórnym zanieczyszczeniem w sieci
wodociągowej, są określone warunkami stabilności chemicznej i biologicznej
wody osiąganymi w procesach jej uzdatniania w tym także skutecznej dezynfekcji
obejmującej „konserwację wody” prowadzona metodą pozostałego dezynfektanta.
Złożoność tej problematyki wynika z faktu, iż sieć wodociągowa oddziaływuje na
wprowadzoną do niej wodę jak bardzo duży specyficzny i mało rozpoznany reaktor
o długim czasie przetrzymania. Stany równowagi chemicznej i biologicznej
osiągane w warunkach realizacji procesów uzdatniania wody, nie muszą być
i w większości nie są stanami równowagi w warunkach znacznie dłuższego
przebywania wody w rurociągach sieci miejskiej, których ścianki wewnętrzne są
pokryte osadami, stwarzającymi korzystne warunki do występowania katalizy.
Biologiczna niestabilność wody jest spowodowana głównie obecnością w wodzie
biodegradowalnego węgla organicznego, którego wskaźnikami są np.:
− przyswajalny węgiel organiczny – AOC (assimilable organic carbon),
− biodegradowalna frakcja rozpuszczonego węgla organicznego BDOC
(biodegradable dissolved organic carbon).
Dotychczasowe wyniki badań wskazują, iż dla utrzymania biologicznej stabilności
wody w sieci wodociągowej zalecane jest obniżenie wartości AOC do poniżej
10 µg C/L, temperatura wody nie powinna przekraczać 15ºC, a stężenie wolnego
chloru pozostałego nie powinno być niższe od 0,1 mg Cl2/L. W innych badaniach
zwraca się uwagę na konieczność obniżenia BDOC do wartości poniżej 0,15 mg C/L
oraz na istotny wpływ mikrobiologicznie dostępnego fosforu – MAP (mirobially
available phosphorus) na wzrost liczby bakterii heterotroficznych w wodzie
wodociągowej, Należy podkreślić, iż problem ten posiada znacznie szerszy aspekt nie
do końca poznany, obejmujący szereg innych parametrów i procesów. Dążenie do
biologicznej stabilności wody w sieci wodociągowej osiąga się głównie przez:
− zwiększenie efektywności procesów biologicznych w zakładach uzdatniania
wody (np. BAFW, infiltracja),
− stosowanie metody pozostałego dezynfektanta – utrzymując odpowiedni
poziom jego stężenia w całej sieci.
Dalszy rozwój Technologii Uzdatniania Wody jego uwarunkowania
i ograniczenia będą związane:
− ze stanem środowiska naturalnego i wdrożeniem zasad zrównoważonego rozwoju,
− z sytuacją ekonomiczną i stanem rozwoju gospodarczego,
− z dalszym rozwojem nauk podstawowych i inżynierskich.
Systemy zaopatrzenia w wodę są systemami otwartymi dynamicznymi, a ich
otoczenie to środowisko naturalne, gospodarka i społeczeństwo. Podstawowe
zbiory wejść do tych systemów to objętość i jakość ujmowanej wody, doprowadzane
materiały, reagenty i energia oraz informacje. Problematyka zaopatrzenia w wodę jest
rozwiązywana głównie w skali narodowej, regionalnej, gminnej i miejskiej.
W analizie tej problematyki woda jest bardziej zasobem regionalnym niż
globalnym. Powyższe informacje wskazują, iż zasadniczymi ograniczeniami
w rozwoju systemów zaopatrzenia w wodę będą wielkość zasobów wody
dyspozycyjnej, jej jakość oraz koszty inwestycyjne, a w szczególności
eksploatacyjne, pozostające w bezpośredniej relacji do ceny wody. Niedobory
zasobów wody dyspozycyjnej mogą mieć charakter:
− niedoborów środowiskowych, związanych z wyczerpaniem się zasobów wody
w danym regionie,
− niedoborów spowodowanych brakiem środków na inwestycje wodociągowe.
Powyższe fakty wskazują jednoznacznie, iż rozwój infrastruktury wodociągowej
oraz postęp w zakresie Technologii Uzdatniania Wody jako dyscypliny nauki w
skali globalnej będzie bardzo nierównomierny – w zasadzie ograniczony do krajów
dobrze rozwiniętych gospodarczo.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
AWWA-ASCE (Technical Editor E.E. Baruth), Water Treatment Plant Design, Mc Graw-Hill, New
York 2005.
M. BODZEK, K. KONIECZNY, Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody,
Wyd. Projprzem, Bydgoszcz 2005.
Z. DYMACZEWSKI, M.M. SOZAŃSKI I IN., Wodociągi i Kanalizacja w Polsce, tradycja i
współczesność, Polska Fundacja Ochrony Zasobów Wodnych, Poznań-Bydgoszcz 2002.
Guidelines for drinking-water quality. Third edition. Volume 1. Recommendations. World Health
Organization, Geneva 2004.
M. W. LECHEVALLIER, N.E. SHOW, L.A. KAPLAN, T.L. BOTT, Development of rapid AOC
method for water. Appl. Environ. Microbiol., vol. 59, nr 5, 1993.
W.G. MACKAY, L.T. GRIBBON, L.T. BARER, D.C. REID, Biofilms in drinking water systems –
a possible reservoir for Heliocobacter pylori, Wat. Sci. Tech. vol. 38 nr 12, 1998.
MWH, Water Treatment Principles and Design (Revised by J.C. Crittenden, R.R. Trussell, D.W.
Hand, K.J. Howe, G. Tchobanoglous), John Wiley & Sons, Inc., Hoboken 2005.
E.W. MIELCARZEWICZ, Obliczanie systemów zaopatrzenia w wodę, Wydawnictwo Arkady,
Warszawa 2000.
J. OLESZKIEWICZ, M. GERINGER D’ODENBERG, A. CHAPMAN, Doświadczenia w
usuwaniu Asellus aquaticus z sieci wodociągowej, Materiały IV Międzynarodowej Konferencji
“Zaopatrzenie w Wodę, Jakość i Ochrona Wód”, Kraków 11-13 września 2000.
P.J. OLLOS, P.M. HUCK, R.M. SLAWSON, Factors affecting biofilm accumulation in model
distribution systems, Jour. AWWA, 95 (1), 2003.
M.M. SOZAŃSKI, K. OLAŃCZUK-NEYMAN, Stan wiedzy i perspektywy rozwojowe technologii
uzdatniania wody jako współczesnej dyscypliny nauki, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska
PAN, vol. 10, 2002, nt. Inżynieria Środowiska Stan obecny i perspektywy rozwoju, Wydawnictwo
Drukarnia LIBER DUO S.C., Lublin 2002.
M.M. SOZAŃSKI, P.M. HUCK, Badania doświadczalne w rozwoju technologii uzdatniania wody,
Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol. 42, 2007, Wydawnictwo Drukarnia LIBER
DUO S.C. Lublin 2007.
M.M. SOZAŃSKI, Technologia uzdatniania wody, tradycja i problemy współczesne; Monografia
Szkoły Jakości Wody 08, Politechnika Koszalińska, Koszalin 2008.
WATER TREATMENT TECHNOLOGY – MEANING, METHODOLOGY, PERSPECTIVE
In the paper Water Treatment Technology as a scientific discipline influencing public health and
correlated with environmental protection as well as with sustainable development of civilization is
presented. Methodological conception of Water Treatment Technology presented in the paper is based
on the stability of basic goals and functions of discipline and on changeability of methods and
technologies influenced by the development of discipline.