Zanieczyszczenia wody.

Główne rodzaje zanieczyszczeń
· Zawiesiny cząstek stałych,w tym koloidy
· Rozpuszczone sole nieorganiczne
· Przewodnictwo
· Zanieczyszczanie śladowe
· pH
· Rozpuszczone związki organiczne
· Mikroorganizmy
· Pyrogeny
· Rozpuszczone gazy
· Zmienność jakości wody




Zawiesiny stałe
Zawiesiny w wodzie składają się z zanieczyszczeń mulistych, brudu z rurociągów oraz koloidów. Cząsteczki koloidalne, które mogą być pochodzenia organicznego lub nieorganicznego - nie są ani zawiesiną, ani roztworem - powodują wzrost mętności wody. Stopień zanieczyszczenia koloidalnego może być określony za pomocą badania indeksu blokowania (FI - fouling index), w którym mierzona jest szybkość blokowania się standardowego filtra, lub za pomocą turbidymetrii. W metodzie turbidymetrycznej - która określa całkowitą zawartość stałych zawiesin w wodzie - promień światła jest przepuszczany przez wodę i mierzona jest część światła rozproszona na cząsteczkach zawiesin.
Cząsteczki zawiesin mogą zablokować membrany odwróconej osmozy oraz kolumny analityczne o małych średnicach, jak również wpływać na pracę zaworów oraz czujników. Z tego względu 10-cio lub 20-to mikronowy filtr wstępny jest często używany jako pierwszy składnik systemy oczyszczania wody w celu odfiltrowania większych cząstek. Mniejsze cząstki mogą być następnie usunięte przez odwróconą osmozę, filtrację sub-mikronową lub ultrafiltrację.

Rozpuszczone związki nieorganiczne
Substancje nieorganiczne w roztworze zawierają sole powodujące twardość, pochodzące z warstw skalnych: wodorowęglany wapnia i magnezu dają wzrost "twardości przemijającej", podczas gdy siarczany i chlorki powodują "twardość nieprzemijającą".
Pośród innych zanieczyszczeń nieorganicznych obecnych w wodzie znajdują się: dwutlenek węgla, który rozpuszcza się wodzie dając słaby kwas węglowy, sole sodowe, krzemiany wyługowane z piaszczystych koryt rzek, związki żelazowe i żelazawe pochodzące z minerałów i zardzewiałych rur stalowych, chlorki z wtrąceń solnych, aluminium z dozowania chemikaliów i z minerałów, fosforany z detergentów, oraz azotany z nawozów.
Całkowita zawartość stałych związków rozpuszczonych (TDS - total dissolved solids) jest pozostałością w mg/l (lub ppm) otrzymaną przez tradycyjną metodę odparowania próbki wody do suchości i ogrzewania w 180C. Pozostałość ta zawiera koloidy, nielotne związki organiczne oraz sole stabilne w tej temperaturze.
Ponieważ największą częścią w suchej pozostałości są sole nieorganiczne, TDS jest używany jako wskaźnik całkowitej zawartości związków nieorganicznych obecnych w wodzie zasilającej. Może on być mierzony bezpośrednio lub szacowany w sposób przybliżony przez pomnożenie przewodnictwa wody w µS/cm w 25C przez współczynnik 0,7.


Przewodnictwo
Sole nieorganiczne w wodzie składają się z dodatnio naładowanych kationów oraz ujemnie naładowanych anionów - które będą przewodzić prąd elektryczny po przyłożeniu napięcia pomiędzy dwoma elektrodami zanurzonymi w wodzie. Im więcej jest obecnych jonów, tym większy prąd - większe przewodnictwo (i niższa rezystywność).

Konfiguracja standardowej celi pomiarowej przewodnictwa wody
Przewodnictwo jest wyrażane w mikrosiemensach na centymetr (µS/cm) i jest stosowane do mierzenia jakości wody surowej i wody jakości podstawowej. Rezystywność jest odwrotnością przewodnictwa i jest wyrażana w megaomach·cm (MW·cm). Jest wygodniejsza do pomiaru jakości wody wysoko-oczyszczonej.
Rezystywność (MW·cm) 0,1 1,0 10,0 18,2
Przewodnictwo (µS/cm) 10,0 1,0 0,1 0,055
Wartości przewodnictwa mniejsze niż 2 µS/cm muszą być mierzone "on-line" ponieważ wysoko-czysta woda szybko absorbuje zanieczyszczenia z otoczenia, szczególnie dwutlenek węgla, co wiąże się ze wzrostem przewodnictwa.
Przewodnictwo i rezystywność są zależne od temperatury. W 25C całkowicie czysta woda ma rezystywność 18,2 MW·cm (przewodnictwo 0,055 µS/cm), z powodu obecności jonów wodorowych i wodorotlenowych.
Wzrost temperatury wody wywołuje wyższe przewodnictwo i niższą rezystywność. Nie powinno być to jednak traktowane jako pogarszanie się jakości wody uzdatnionej. Jeśli temperatura wzrośnie o 1C, przewodnictwo wody wodociągowej wzrośnie o około 2%, ale dla wody ultra-czystej wzrost ten wyniesie około 6%. Normalnie w praktyce stosuje się korektę wszystkich wartości przewodnictwa i rezystywności do 25C. Jest to wykonywane automatycznie przez współczesne mierniki przewodnictwa - jako istotne dla dokładności pomiaru.


Zanieczyszczenia śladowe
Choć rezystywność służy jako doskonały wskaźnik jakości jonowej wody o wysokiej czystości, nie jest ona wystarczająca w pewnych krytycznych zastosowaniach. W przypadkach, gdy poziom poszczególnych zanieczyszczeń musi być mierzony w częściach na miliard lub niżej, stosuje się takie techniki analityczne jak chromatografia jonowa, spektrofotometria absorpcji atomowej w piecu grafitowym i plazmową spektrometrię masową ze sprzężeniem indukcyjnym.

pH
Pomiar pH wody ultra-czystej jest trudny. Nie tylko dlatego, że woda wysoko-czysta szybko "łapie" zanieczyszczenia, które wpływają na jej pH, ale także posiada niską konduktancję, która powoduje niestabilność pomiaru w większości pH-metrów, chyba że są one specjalnie zaprojektowane do pracy w wodzie ultra-czystej.
Na szczęście, ponieważ stężenie jonów wodorowych w wodzie wpływa na pH i na rezystywność, pH musi leżeć w określonych granicach dla danego odczytu przewodnictwa. Na przykład, gdy rezystywność wynosi 10 MW·cm, wartość pH musi leżeć pomiędzy 6,6 i 7,6.
pH ultra-czystej wody może spaść do 4,5 jako że absorbuje ona dwutlenek węgla z atmosfery, ale nie oznacza to, że woda jest silnie zanieczyszczona; już kilka ppm CO2 spowoduje spadek pH.


Rozpuszczone związki organiczne
Organiczne zanieczyszczenia wody pochodzą z rozkładu materii roślinnej - zasadniczo są to kwasy huminowe i fulwowe - oraz z działalności rolnictwa, papiernictwa oraz ze ścieków komunalnych i przemysłowych. Zawierają one detergenty, tłuszcze, oleje, rozpuszczalniki oraz pozostałości pestycydów i herbicydów.
Dodatkowo, zawarte w wodzie związki organiczne mogą być wyługowane z rurociągów i zbiorników oraz pochodzić ze środków czyszczących.
System oczyszczania wody może być także źródłem zanieczyszczeń i wobec tego musi być zaprojektowany nie tylko tak, żeby usuwać zanieczyszczenia z wody zasilającej, ale żeby uniknąć dodatkowego ponownego zanieczyszczenia pochodzącego z samego systemu.
Związki organiczne zawarte w wodzie surowej często dają żółto-brązowe zabarwienie i mogą zablokować żywice jonowymienne, jak również zanieczyścić wodę wyprodukowaną. Stopień zanieczyszczenia organicznego może być mierzony za pomocą testu absorpcji tlenu (OA - oxygen absorbed) wykorzystującego roztwór nadmanganianu potasu, lub testu chemicznego zapotrzebowania tlenu (COD).
Obecnie coraz szerzej są stosowane analizatory całkowitego węgla organicznego (TOC - total organic carbon), z powodu ich czułości w wykrywaniu niskich poziomów związków organicznych w próbkach wody. (Mówiąc ściśle, instrumenty te mierzą całkowity utlenialny węgiel organiczny (TOOC) obecny w próbkach).
Woda o bardzo niskiej zawartości TOC (poniżej 10 ppb) jest szczególnie ważna dla użytkowników takich technik jak HPLC, analiza fluoroscencyjna oraz kultury tkankowe. Równie ważna, w przypadku gdy używane są systemy detekcji ultrafioletowej, jest konieczność, żeby woda miała bardzo niski poziom absorpcji światła UV (idealnie mniej niż 0,0001 jednostek absorpcji przy 254 nm).


Mikroorganizmy
Wody powierzchniowe zawierają szeroką różnorodność mikro-organizmów, w tym ameby, bakterie, pierwotniaki, wrotki, okrzemki i algi. Ponieważ jednak większość wody w laboratorium pochodzi z miejskiej stacji uzdatniania wody, i jest silnie uzdatniona w celu usunięcia mikroorganizmów, podstawowym mikroorganizmami istotnymi dla systemu oczyszczania wody są bakterie. Typowy poziom bakterii w pitnej wodzie zasilającej laboratorium wynosi jedną kolonię na mililitr lub mniej. Rozwój bakterii jest utrzymywany na tak niskim poziomie przy użyciu "resztkowej" zawartości chloru lub innego środka dezynfekującego. Gdy te środki dezynfekujące zostają usunięte podczas procesu oczyszczania wody - bakterie mają szansę rozwoju.
Zadania systemu wody ultra-czystej (w zakresie mikrobiologii) są następujące:
Usunąć bakterie obecne w wodzie zasilającej.
Uniemożliwić bakteriom przeniknięcie do systemu i ponowne jego zakażenie.
Zahamować rozwój bakterii w systemie.
Zapewnić, że w wodzie wyprodukowanej nie ma bakterii.
Bakterie są jednokomórkowymi organizmami, których liczba rośnie w sposób wykładniczy, dobrze rozwijając się w stojącej wodzie, i mogą być obecne na różnych powierzchniach i w powietrzu. Potrafią przetrwać i rozwijać się w różnorodnych środowiskach, w tym w rozpuszczonych związkach organicznych i nieorganicznych. Bakterie przetwarzające żelazo, siarkę oraz azot, są dobrymi przykładami organizmów wykorzystujących dostępne media. Bakterie łatwo rozwijają się w systemach wody ultra-czystej.
Bakterie przenikną do niezabezpieczonego systemu oczyszczania wody z wody zasilającej, przez wszelkie "dziury" w systemie, lub przez punkty poboru wody oczyszczonej. Już w systemie, niektóre bakterie potrafią wydzielić lepką polimeryczną substancję, która przykleja je do powierzchni zbiorników magazynowych, wkładów dejonizacyjnych, rurociągów i w "ukrytych" miejscach takich jak w zaworach kulowych.
Bakterie mogą być zwykle wykryte i policzone przez przefiltrowanie próbki wody przez filtr 0,45 mikrona, i hodowlę filtra z bakteriami na odpowiedniej pożywce przez kilka dni. Liczba bakterii jest określana w jednostkach zdolnych do tworzenia kolonii na mililitr (CFU/ml). Bakterie mogą być zniszczone przez środki dezynfekujące takie jak nadtlenek wodoru, podchloryn i wodorosiarczyn. Gdy jednak bakterie zostaną zniszczone, ich polimeryczne wydzieliny oraz lipopolisacharydowe fragmenty komórek pozostają i mogą wywołać problemy, jeśli nie zostaną również usunięte.


Pyrogeny- nazwa nadana fragmentom błony komórkowej bakterii, oznacza "wywołujące gorączkę". Gdy woda zawierająca pyrogeny zostanie wstrzyknięta ssakom, wystąpi wzrost temperatury ich ciała. Dlatego woda typu farmaceutycznego musi być apyrogenna. Stwierdzono także, że pyrogeny mają niekorzystny wpływ na eksperymenty z kulturami tkankowymi.
Pyrogeny są wykrywane albo przez wstrzykiwanie próbki wody specjalnie hodowanym królikom i monitorowanie ich na wzrost temperatury, albo przez test LAL (Limulus Amoebocyte Lysate), czuły test na wykrywanie bardzo niskich poziomów endotoksyn.


Rozpuszczone gazy
Tlen i dwutlenek węgla są dwoma gazami najczęściej znajdowanymi w wodach naturalnych. Dwutlenek węgla zachowuje się jak słaby anion i jest usuwany przez silnie zasadowe żywice jonowymienne.
Rozpuszczony tlen może być także usunięty przez żywice jonowymienne w formie siarczanowej, a poziom rozpuszczonego tlenu w wodzie zasilającej może być monitorowany przy pomocy elektrod selektywnych na tlen.

Zmienność jakości wody surowej
Odmiennie od innych surowców, źródła wody surowej mają zmienną jakość zależnie od regionu geograficznego i zależnie od pory roku. Woda uzyskiwana z naturalnych źródeł powierzchniowych, na przykład, zwykle ma niskie TDS i jest względnie miękka, ale ma wysokie stężenie zanieczyszczeń organicznych, w dużej części koloidalnych. Przeciwnie, woda ze źródeł podziemnych ma generalnie wysokie TDS i poziom twardości, ale niską zawartość związków organicznych.
Sezonowe wahania jakości wody są najbardziej widoczne w wodach powierzchniowych. Podczas miesięcy jesiennych i zimowych, opadłe liście i gnijąca roślinność uwalniają duże ilości materii organicznej do strumieni, jezior i innych zbiorników. W rezultacie, stopień zanieczyszczenia organicznego w wodach powierzchniowych - jak wskazują wartości OA - osiąga szczyt w styczniu i lutym, i spada do minimum w lipcu i sierpniu.
Jakość i charakterystyka zasilania wodą surową ma ważny wpływ na wymaganą technologię oczyszczania wody.

Anita Kogut 12.05.2003