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 Clapeyrona- Clausiusa. 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 Cl 2 /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. AWWA-ASCE (Technical Editor E.E. Baruth), Water Treatment Plant Design, Mc Graw-Hill, New York 2005. 2. M. BODZEK, K. KONIECZNY, Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody, Wyd. Projprzem, Bydgoszcz 2005. 3. Z. DYMACZEWSKI, M.M. SOZAŃSKI I IN., Wodociągi i Kanalizacja w Polsce, tradycja i współczesność, Polska Fundacja Ochrony Zasobów Wodnych, Poznań-Bydgoszcz 2002. 4. Guidelines for drinking-water quality. Third edition. Volume 1. Recommendations. World Health Organization, Geneva 2004. 5. 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. 6. 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. 7. 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. 8. E.W. MIELCARZEWICZ, Obliczanie systemów zaopatrzenia w wodę, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2000. 9. 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. 10. P.J. OLLOS, P.M. HUCK, R.M. SLAWSON, Factors affecting biofilm accumulation in model distribution systems, Jour. AWWA, 95 (1), 2003. 11. 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. 12. 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. 13. 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.