Zrównoważony rozwój cywilizacyjny pociąga za sobą ciągłe doskonalenie technologii pozwalającej na kolejny krok ku przyszłości, a równowaga pomiędzy tymi procesami powinna pozostać zachowana.

Technologie w uzdatnianiu wody
        Coraz nowsze technologie powodują efektywniejsze dbanie o środowisko naturalne oraz o uboczne produkty naszej działalności na ziemi, które powinny być na bieżąco unieszkodliwiane i w bezpiecznej postaci zawracane do otaczającego nas świata. Tak więc rozwój cywilizacyjny wymusza na technologii jej zastosowanie w celu usuwania zagrożenia spowodowanego naszą działalnością. Wysoce efektywna technologia po  winna dodatkowo mieć możliwość naprawienia szkód, jakie wyrządziliśmy środowisku naturalnemu w przeszłości. Zaniedbane składowiska odpadów chemicznych, niekontrolowane zrzuty ścieków do rzek czy gleby spowodowały, że coraz częściej obserwuje się niebezpieczne związki chemiczne w wodach głębinowych, skąd już w prosty sposób mogą oddziaływać na nasze zdrowie.
        Przedsiębiorstwa wodociągowe, uzdatniające wodę przeznaczoną do spożycia, stanowią więc pierwszą barierę ochronną przed zanieczyszczeniami środowiska naturalnego spowodowanego naszą działalnością. To tutaj właśnie walczy się z tym, co przez nas samych trafiło do środowiska. Stacje uzdatniania wody wykorzystują technologię, która w wystarczający sposób uzdatnia wodę, zachowując jej parametry fizykochemiczne na poziomie normowanym przez rozporządzenie ministra zdrowia dotyczące wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Jednakże normy te są coraz częściej zaostrzane, a wymagania stawiane technologii uzdatniania wody – coraz wyższe. Tak więc, pytania nasuwają się same: Czy spektrum związków chemicznych eliminowanych z wody nie poszerzy się o nowe substancje, uznane za niebezpieczne, i czy obecnie stosowane technologie zdolne będą pracować pod nowymi rygorami?
       Odpowiadając na pytania należy przyjrzeć się poszczególnym etapom uzdatniania wody, a więc zaczynając od separacji fazy stałej, koagulacji, filtracji, utlenianiu, technikom sorpcyjnym, dezynfekcji, a kończąc na technikach membranowych. Każdy z tych elementarnych procesów uzdatniania wody należałoby przeanalizować pod kątem efektywności i wydajności oraz pod względem ekonomiki stosowania. Poniżej przedstawię możliwości, jakie dają nam techniki utleniania.

Rys. 1. Potencjały utleniające (redoks) stosowanych powszechnie utleniaczy

Techniki utleniania
     Techniki te wykorzystuje się w uzdatnianiu wody w celu usuwania żelaza (II), manganu (II), siarkowodoru, siarczków, substancji odpowiedzialnych za barwę, smak i zapach wody, fito- i zooplanktonu, związków organicznych, zarówno pochodzenia atropogennego, jak i naturalnego. Dodatkowo, pozwalają na destabilizację koloidów czy też na wyeliminowanie zagrożenia skażeniem mikrobiologicznym poprzez dezynfekcję wody. Utlenianie może być stosowane na kilku etapach ciągu technologicznego jako utlenianie wstępne, pośrednie oraz końcowe. Do typowych utleniaczy stosowanych w uzdatnianiu wody zalicza się powietrze (a dokładniej tlen w nim zawarty), chlor (i związki chloru) oraz ozon.
     Potencjał utleniający, a więc siłę, z jaką dane indywiduum chemiczne potrafi utlenić inny związek chemiczny, przedstawiony jest na rysunku 1.
Z rysunku 1 wynika, iż siła utleniania rośnie od tlenu do ozonu i dlatego też aeracja (napowietrzanie) stosowana jest raczej w celu desorpcji gazów lub lotnych związków organicznych z wody. Wykorzystuje się ją także w celu odżelazienia i odmanganienia wody, usunięcia dwutlenku węgla i siarkowodoru oraz do eliminacji z wody amoniaku. Chloru używa się zazwyczaj w procesie uzdatniania wody w celu niszczenia fito- i zooplanktonu, wspomagania flokulacji przez utlenienie materiału organicznego zaadsorbowanego na zawiesinie lub obniżenia barwy przez utlenienie substancji humusowych. Ozonowanie wody jest wykorzystywane z bardzo podobnych przesłanek jak używanie chloru. Ozon ma za zadanie poprawić właściwości organoleptyczne wody, usunąć bakterie i wirusy, utlenić naturalne związki organiczne występujące w wodzie oraz niektóre metale (np. Fe i Mn).
       Niestety, jednak stosowanie chloru  i ozonu niesie za sobą ryzyko powstania ubocznych produktów utleniania, takich jak trihalometany lub kwasy halogenooctowe, prowadzących do  podwyższenia aktywności mutagennej wody. Kolejną wadą wykorzystywanych dotychczas utleniaczy jest brak skuteczności w utlenianiu substancji refrakcyjnych, do których zalicza się grupę związków pochodzenia naturalnego (np. kwasy humusowe) oraz grupę związków pochodzenia antropogenicznego. To właśnie druga grupa związków chemicznych trafiająca do środowiska przez działalność człowieka wydaje się być największym zagrożeniem w obecnych czasach. Pestycydy, fenole, związki chlorowcoorganiczne, węglowodory alifatyczne i aromatyczne, nitropochodne aromatyczne oraz substancje powierzchniowo czynne są bardzo trudne do utlenienia przez tradycyjne utleniacze, takie jak chlor czy ozon. Obecność tych związków lub produktów ich niepełnego utlenienie w wodzie powoduje obniżenie jej parametrów organoleptycznych, a dodatkowo nadaje wodzie niepożądane cechy toksyczne, mutagenne czy kancerogenne.

 Techniki AOP
        Powyższe zjawiska, jak i ciągle zaostrzające się normy dotyczące jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, skutkują koniecznością wprowadzania wysoce efektywnych i wysokosprawnych technologii jej uzdatniania. W ostatnich latach coraz więcej uwagi poświęca się badaniom i wdrażaniu tzw. metod pogłębionego utleniania (lub procesów zaawansowanego utleniania, z angielskiego Advanced Oxidation Processes – AOPs). Jest to szeroka grupa technik pozwalających na zwiększenie stopnia utleniania związków trudno degradowalnych chemicznie. W procesach tych generowane są wysoce reaktywne rodniki hydroksylowe OH•, o potencjale oksydoredukcyjnym 2,8 V. Cząstki te wchodzą nieselektywnie w reakcje rodnikowe z niemalże wszystkimi związkami organicznymi, prowadząc do ich natychmiastowej oksydacji do nieszkodliwej postaci dwutlenku węgla i wody (oraz związków nieorganicznych). Rodniki hydroksylowe w technikach AOP wytwarzane są metodami:
1. chemicznymi – H2O2/O3, O3/OH-, Fe2+ lub Fe3+/H2O2,
2. fotochemicznymi – H2O2/UV, O3/UV,
3. fotokatalitycznymi – TiO2/UV.

     Stosowanie technik AOP ma wiele zalet. Pod kątem ekonomicznym wyróżnia je obniżenie dawki stosowanego podstawowego utleniacza, a patrząc pod kątem technologicznym pozwalają na intensyfikację utleniania wielu związków organicznych, prowadzącą do ich pełnego rozkładu. Bezpośrednio przyczynia się to do obniżenia potencjału powstawania potencjalnie niebezpiecznych ubocznych produktów dezynfekcji związkami chloru, wspomnianych już wcześniej THM-ów.

 Procesy fotokatalityczne
        Spośród technik AOP na uwagę zasługuje proces, w którym niezwykle reaktywny rodnik hydroksylowy wytwarzany jest metodami fotokatalitycznymi. W tej grupie metod eliminujemy wprowadzenie do układu dodatkowego utleniacza, jak ma to miejsce w przypadku metod chemicznych czy też fotochemicznych. Techniki fotokatalityczne wykazują więc przewagę pod względem ekonomiki procesu, a jedynym mankamentem wydaje się koszt energii potrzebnej do wytworzenia promieniowania UV.
Czy na pewno?
        Procesy fotokatalityczne są coraz częściej wykorzystywane w praktyce, w szczególności do oczyszczania powierzchni (tynki, farby, powłoki samooczyszczające się). Zdecydowana większość tych rozwiązań bazuje na wykorzystaniu części ultrafioletowej światła słonecznego (zastosowania na zewnątrz, gdzie natężenie naturalnego światła UV jest wystarczające), a więc darmowej energii!
       Cały sekret procesu fotokatalitycznego generowania OH• ukryty jest w odpowiednim doborze katalizatora, najczęściej na bazie tlenku tytanu (IV), powszechnie występującego w przyrodzie w postaci rutylowej, anatazowej i brukitowej. Odpowiednia modyfikacja składu chemicznego katalizatora domieszkami innych metali, jak i jego powierzchni, może spowodować wzrost jego aktywności, przez co rośnie efektywność całego procesu generowania rodników hydroksylowych, które tworzą się w trakcie rozkładu cząsteczki wody mającej bezpośredni kontakt z aktywowaną promieniami UV powierzchnią katalizatora. Tak więc w technikach AOP wykorzystujących procesy fotokatalityczne nie potrzebujemy żadnych dodatkowych reagentów za wyjątkiem katalizatora, który w końcowym bilansie reakcji nie ulega zużyciu. Jedynie optymalny dobór źródła promieniowania oraz odpowiedniej przenikalności woda są warunkami sukcesu technik fotokatalitycznych.
       Pierwsze próby stworzenia reaktora fotokatalitycznego zostały już podjęte, lecz są nadal w fazie  badań. Prototypowe urządzenie do oczyszczania ścieków ze związków organicznych można znaleźć w Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie, niestety jednak o zbyt małej jak dla potrzeb uzdatniania wody wydajności. Niemniej jednak zainteresowanie inwestorów ową technologią jest ogromne i spodziewać się można jego wzrostu w najbliższych latach, patrząc na efekty dotychczasowych badań laboratoryjnych.

 * * *

        Obserwując dynamiczny rozwój w tej dziedzinie nauki można oczekiwać, że w najbliższym czasie pojawią się rozwiązania bazujące właśnie na procesach zaawansowanego utleniania i to w dodatku wykorzystujące tanie metody fotokatalityczne. Przedsiębiorstwa wodociągowe mają więc do wyboru: albo biernie śledzić postępy tworzenia innowacyjnej technologii, albo aktywnie uczestniczyć w jej tworzeniu, a tym samym stać się katalizatorem dalszego postępu technologicznego oraz przyczynić się do bardziej efektywnego dbania o środowisko naturalne.

Autor: dr Paweł Hejduk, Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągowe

Artykuł został opublikowany w magazynie "Ochrona Środowiska" nr 2/2011

Źródło fot.: www.sxc.hu