W ostatnim stuleciu ilość wody zużywanej na całym świecie wzrosła sześciokrotnie przy dwukrotnym w tym czasie wzroście populacji. Oczywiście największe zużycie wody w skali globalnej jest związane z systemami irygacyjnymi (69%) i przemysłem (23%), a tylko ok. 8% zużywane jest do picia, przygotowania żywności i na inne domowe zastosowania (średnio w skali całego świata 220 l na osobę w ciągu doby). Mimo wielkiego rozwoju systemów zaopatrzenia w wodę w ostatnich dekadach szacuje się, że obecnie ok. 1,2 mld ludzi w krajach rozwijających się nie posiada wystarczającego dostępu do bezpiecznego dla zdrowia zasilania w wodę pitną.

Ocenia się, że do roku 2050 ok. 65% populacji na Ziemi będzie żyło w obszarach z deficytem wody. Ta sytuacja jest nowym wyzwaniem, zmuszającym do rozwoju technologii uzdatniania wody, systemów monitoringu oraz strategii zarządzania systemami zaopatrzenia w wodę. Zakłady uzdatniania wody muszą już obecnie odpowiedzieć na falę nowych regulacji prawnych. Zachowanie na możliwie najniższym poziomie ubocznych produktów dezynfekcji, skuteczna dezaktywacja patogennych mikroorganizmów, usuwanie mikrozanieczyszczeń nieorganicznych i organicznych, optymalizacja metod analitycznych, pozwalających na wykrywanie niebezpiecznych substancji na poziomie 1 ng w litrze, powodują znaczny wzrost wymagań w stosunku do służb technologicznych i laboratoryjnych. 

Alternatywne technologie

Ciągłe unowocześnianie procesów technologicznych, wymuszone zaostrzeniem przepisów, rozbija się o skalę kosztów związaną z kontrolą stanu wody, a konsumenci nie są zdecydowani płacić więcej za wodę. Pilna potrzeba dostosowania się do rosnących wymagań i perspektywa wzrostu zapotrzebowania na wodę są bodźcami do rozwoju wielu nowych technologii, które mogą być bardziej efektywne i mniej kosztowne. Podczas gdy klasyczne technologie uzdatniania, takie jak koagulacja, sedymentacja, filtracja i dezynfekcja, ciągle jeszcze pozostają wiodące, obserwujemy rosnące zainteresowanie bardziej innowacyjnymi technikami. Wprowadzane zostają alternatywne metody dezynfekcji, prowadzące do ograniczenia produktów ubocznych. Niskociśnieniowe systemy membranowe stanowią bardzo sprawny układ filtracyjny, dobrze usuwający mikroorganizmy, z jednoczesną eliminacją potrzeby stosowania koagulacji. Można zaobserwować ostatnio pewien trend polegający na zastępowaniu niektórych lub wszystkich klasycznych procesów nowymi, alternatywnymi technologiami. Omówię tylko niektóre, wybrane nowe technologie ze względu na zbyt dużą liczbę różnych rozwiązań i ich kombinacji. Praktycznie dla każdego z wyżej wymienionych, klasycznych procesów technologicznych istnieją już pewne modyfikacje, zarówno w sferze konstrukcji urządzeń, jak i w sferze stosowanych środków chemicznych. Dla przykładu: klasyczny proces koagulacji zastąpić można kompaktowym systemem, w którym woda zmieszana z koagulantem dopływa do zbiornika mieszania szybkiego, gdzie dawkowany jest polielektrolit i mikropiasek. W komorze mieszania wolnego powstają kłaczki zabudowane na ziarnach mikropiasku, co powoduje zwiększenie ich wagi. Osad jest oddzielany od wody w osadniku wielostrumieniowym, a następnie zgarniany i odpompowywany do hydrocyklonu. W hydrocyklonie oddziela się osad (odprowadzany na zewnątrz układu) od mikropiasku (zawracany do komory mieszania szybkiego). Zalety zastosowania takiego rozwiązania są następujące: mała powierzchnia zabudowy w stosunku do klasycznej koagulacji, znaczne zmniejszenie zużycia chemikaliów, krótki czas rozruchu i wyłączania, krótki czas zatrzymania (łatwość optymalizacji) oraz stabilność i elastyczność procesu.

Oprócz innowacyjnych rozwiązań konstrukcyjnych od wielu lat doskonalone są koagulanty i flokulanty. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele różnego rodzaju koagulantów bazujących na solach żelaza i glinu (zwłaszcza różne mieszaniny na bazie chlorku poliglinu) oraz wiele rodzajów polielektrolitów na bazie wysokocząsteczkowych średnio- lub niskoanionowych poliakrylamidów. Jednak hitem w najbliższych latach wydaje się stosowanie naturalnych lub modyfikowanych polielektrolitów i biopolimerów, np. pektyn – polisacharydów pochodzących z owoców (np. jabłek, pigwy). Tego typu biopolimery są bardzo skutecznymi koagulantami, a jednocześnie nie pozostawiają w wodzie żadnych substancji mogących stanowić zagrożenie dla zdrowia. Również bardzo interesującym i nowatorskim rozwiązaniem jest zastosowanie reakcji typu redox (utlenianie–redukcja) do eliminacji metali ciężkich, niebezpiecznych związków organicznych, a nawet mikroorganizmów. Przykładowym zastosowaniem tych mechanizmów jest proces wykorzystujący mieszaninę miedzi i cynku do elektrochemicznych reakcji w stanie fluidalnym z zanieczyszczeniami w wodzie. Zaletą tej techniki jest niski koszt i pełny odzysk medium reakcyjnego, które może być wielokrotnie użyte. Takie przykłady innowacji w klasycznych technologiach można by mnożyć, jednak w dalszej części przedstawione zostaną szerzej tylko te najczęściej dzisiaj wybierane technologie, niewymagające stosowania środków chemicznych.

Infiltracja wód powierzchniowych przez złoża wodonośne

Ten sposób wstępnego uzdatniania wody jest szeroko stosowany w Europie. Coraz bardziej rośnie również zainteresowanie tą technologią w USA. W Niemczech ok. 16% zakładów uzdatniania stosuje ten proces, którego podstawową zasadą jest przepuszczenie wody powierzchniowej z rzeki lub jeziora przez naturalne porowate złoża warstw wodonośnych, działające jak naturalny filtr. Lokalizacja studni ekstrakcyjnych (lewarów) w niewielkiej odległości od brzegu rzeki czy jeziora eliminuje potrzebę budowy stawów infiltracyjnych. Woda przepływa bezpośrednio z rzeki (jeziora) przez materiał i osady denne, a następnie warstwy wodonośne do studni. Zwykle po tym procesie dalsze uzdatnianie polega na zastosowaniu granulowanego węgla aktywnego do usunięcia mikrozanieczyszczeń organicznych i ewentualnie napowietrzaniu lub ozonowaniu wody w kierunku usuwania żelaza i manganu. Jak wynika z doświadczeń niemieckich, prawidłowo zaprojektowane systemy są na tyle sprawne w usuwaniu patogennych mikroorganizmów, że nawet zbędna staje się końcowa dezynfekcja. Zaletą tego typu systemów jest brak konieczności stosowania środków chemicznych oraz łatwość sterowania i kontroli procesu. System ten ogranicza stężenia wielu zanieczyszczeń poprzez kombinację procesów filtracji, biodegradacji i rozcieńczania, a dodatkowo łagodzi skutki incydentalnych skażeń i okresowego znacznego wzrostu ładunków zanieczyszczeń w wodach powierzchniowych, jak również kompensuje zmiany temperatury wody. Wadą tej technologii jest niemożność kontrolowania szybkości infiltracji przepływu wody, jak również możliwość skażenia wody patogenami i innymi zanieczyszczeniami pochodzącymi z osadów dennych i warstw wodonośnych oraz brak możliwości wstecznego przepłukania złoża. Aby zapewni...