Koagulacja wód o podwyższonej barwie, mętności oraz utlenialności - cz. I

Zagadnienia usuwania barwy dotyczą z reguły wód powierzchniowych, ale także dość często wód podziemnych, pochodzących z niektórych utworów wodonośnych - zwłaszcza mioceńskich (trzeciorzędowych) - zalegających, czy przewarstwianych węglem brunatnym. Mętność z kolei dotyka przede wszystkim wodociągi z terenów podgórskich, zwłaszcza w okresach roztopów czy intensywnych deszczów, aczkolwiek również, w nieco innym kontekście, wodociągi uzdatniające wody podziemne (zwłaszcza w sytuacji problemów z odżelazianiem i odmanganianiem wody). Poniżej zostaną dokładnie scharakteryzowane oba wskaźniki oraz trzeci, towarzyszący bezpośrednio barwie (pośrednio również mętności) - utlenialność.

Barwa wody

Z punktu widzenia analityki laboratoryjnej, ale również praktyki technologicznej, wyróżnia się następujące „rodzaje" barwy:

• barwa pozorna,

• barwa rzeczywista.

Z pierwszą z nich mamy najczęściej do czynienia w sytuacji, gdy w wodzie występuje żelazo. Termin „pozorna" wiąże się z faktem, iż woda surowa, zawierająca żelazo bardzo szybko mętnieje, zwłaszcza w sytuacji, gdy próba nie jest pobrana we właściwy sposób - tzn. następuje jej natlenienie. Zachodzą wtedy reakcje utleniania żelaza, które wytrąca się w postaci rdzawo - brunatnej zawiesiny wodorotlenku żelazowego. Oczywiście szybkość tego procesu zależy w głównej mierze od postaci żelaza występującego w wodzie surowej (formy jego występowania, rodzaju związków chemicznych jakie tworzy) i jego podatności na utlenianie tlenem atmosferycznym. W sytuacji, gdy żelazo utlenia się bardzo trudno, (gdy mamy pewność, że nie wytrąca się wodorotlenek żelazowy), wówczas oznaczona barwa jest barwą rzeczywistą.

W każdym razie utlenione i wytrącone w próbie wody surowej żelazo, podczas analizy barwy (przy użyciu spektrofotometru, lub według starej metody polegającej na porównaniu próby ze skalą ręcznie przygotowanych wzorców) daje mylny wynik zabarwienia wody. Wiązka świetlna wysyłana przez spektrofotometr jest częściowo rozpraszana, częściowo zaś absorbowana przez wytrącone cząsteczki wodorotlenku żelaza, w wyniku czego spektrofotometr wskazuje zabarwienie wody - czasami nawet bardzo duże. Błąd odczytu jest potężny, zaś wskazana barwa - jest właśnie barwą pozorną, sztuczną, nierzeczywistą i właściwie nie powinno się jej podawać w interpretacji jakości wody surowej. Często bowiem spotyka się w raportach laboratoryjnych pomiary wody surowej, wskazujące na barwę rzędu 150 czy 200 mgPt/L. Wynik taki, mógłby niejednego technologa przyprawić o zawrót głowy, gdyby był wynikiem rzeczywistej barwy, a praktyka pokazuje, że często projektanci biorą tę wartość zbyt dosłownie i projektują skomplikowane systemy usuwania barwy, gdy tak naprawdę wystarczy tylko odżelazianie wody.

Dlatego też, by uniknąć opisanych powyżej sytuacji i jednoznacznie określić wartość barwy wody wprowadzono pojęcie barwy rzeczywistej, lub innymi słowy barwy po sączeniu. Metodyka określania tego wskaźnika polega na przesączeniu badanej próby wody surowej (lub uzdatnionej) przez sączek jakościowy, a następnie oznaczaniu barwy (spektrofotometrycznie, lub przy użyciu skali wzorców). W ten sposób eliminuje się wpływ mętności, czy wytrąconych zawiesin żelazowych (dla wód o łatwo utlenialnym żelazie). Oczywiście badanie to również nie jest pozbawione błędów - zwłaszcza w sytuacji, gdy sączona próba pobierana nie została natleniona, a podczas sączenia wywołuje się reakcję utleniania żelaza.

Właściwe określenie barwy wody wymaga więc sporego doświadczenia i wykluczenia wpływu opisanych powyżej czynników.

Ustalenie bowiem barwy rzeczywistej wody, jest ważne, gdyż określa się w ten sposób zawartość substancji koloidalnych, które muszą zostać usunięte w toku określonych czynności technologicznych.

Cząstek koloidów nie da się odfiltrować ani na złożach filtracyjnych, ani nawet na sączkach laboratoryjnych. Ich rozmiary mieszczą się pomiędzy 1 nm a 1 μm, stanowiąc grupę pomiędzy cząstkami roztworów właściwych oraz zawiesin.

Substancjami powodującymi rzeczywistą barwę wody są związki humusowe. Stanowią je ciemnoszare, bezpostaciowe związki, powstające w glebie na skutek chemicznych i biologicznych przemian obumarłych szczątków, głównie pochodzenia roślinnego oraz w procesie humifikacji liści. Do substancji humusowych zalicza się następujące substancje:

• kwasy huminowe,

• kwasy hymatomelanowe,

• kwasy fulwowe.

Jak dotychczas nie udało się jednoznacznie określić wzorów strukturalnych poszczególnych grup, ani też cech tych związków.

Substancje humusowe w wodach występują, (co jest ważne z technologicznego punktu widzenia) w postaci rozpuszczonej, koloidów i jako domieszki nierozpuszczone, a ich forma zależy głównie od wartości pH. W środowisku kwaśnym i obojętnym występują zazwyczaj jako ujemne koloidy, natomiast w środowisku alkalicznym w postaci zdysocjowanej (są praktycznie całkowicie rozpuszczone).

W wodach powierzchniowych przeważają kwasy fulwowe lub ich sole, natomiast w wodach podziemnych - huminowe. Wskutek kwasowego charakteru związków humusowych, obniżenie pH roztworu zmniejsza stopień ich dysocjacji i obniża potencjał układu koloidalnego, co ułatwia ich usuwanie z wody. Podwyższenie pH, niekorzystnie stabilizuje układ koloidalny, zwiększa stopień dysocjacji (rozpuszczenia) i pogłębia barwę nim spowodowaną.

Odwrotną zależność stwierdzono w stosunku do utlenialności, która zmniejsza się wraz ze wzrostem pH wody.

Utlenialność

Podobnie jak barwa, również utlenialność jest parametrem, który pośrednio określa zawartość szeregu substancji w wodzie dokładnie nieoznaczonych jakościowo Oznaczając utlenialność wody określa się tylko zawartość związków podatnych na utlenianie przy użyciu nadmanganianu potasu KMnO4 na ciepło.

Dawniej zamiast pojęcia utlenialności funkcjonowało pojęcie ChZT metodą nadmanganianową, czy też określenie „indeks nadmanganianianowy". Na chwilę obecną ChZT - jest ściśle przyporządkowane do określania zawartości substancji w wodzie (lub ściekach) utlenianych przy użyciu silniejszej substancji - Dwuchromianu potasu.

W Polsce utlenialność wody jest oznaczana w standardowej analityce wód przede wszystkim powierzchniowych (ale również podziemnych). Literatura fachowa podaje, że podwyższona wartość utlenialności stwierdzana w wodzie charakteryzującej się zawartością związków azotu, chlorków i zwiększoną opalescencją jest wskaźnikiem zanieczyszczenia tej wody związkami pochodzenia zwierzęcego. W wypadku zanieczyszczenia wody związkami organicznymi pochodzenia roślinnego, podwyższonej utlenialności towarzyszy zwykle intensywna barwa.

Wody powierzchniowe, nie zanieczyszczone charakteryzują się utlenialnością zazwyczaj niższą niż 4,0 mgO2/L. Znacznie większą utlenialność - dochodzącą niejednokrotnie do ok. 30 % barwy mogą posiadać wody pochodzące z terenów bagiennych, zalesionych i torfowych. Wartość utlenialności obrazuje również zawartość związków nieorganicznych, które utleniają się w środowisku nadmanganianu potasu. Należą do nich m.in. takie związki jak:

• żelazo,

• mangan.

A więc wskaźnik ten tylko w przybliżony sposób określa zawartość związków organicznych w wodzie. Dawniej uważano, że z higienicznego punktu widzenia utlenialność wody ma tylko wówczas istotne znaczenie, jeżeli jest wywołana związkami pochodzenia zwierzęcego. Pogląd ten został skorygowany, ponieważ związki mierzone jako utlenialność (do których należą choćby opisane powyżej substancje humusowe) mogą być również prekursorami toksycznych chlorowanych związków organicznych, powstających podczas dezynfekcji wody chlorem.

Mętność wody

Jak wspomniano wcześniej mętność wody surowej zazwyczaj występuje w wodach powierzchniowych - zwłaszcza na terenach górskich i podgórskich w okresie roztopów i intensywnych deszczów. Jest ona spowodowana trudnoopadającymi cząsteczkami iłów, czy glin, stanowiących roztwory koloidalne. Ich usunięcie jest możliwe właściwie tylko poprzez koagulację (w klasycznych układach uzdatniania wody).

W przypadku wód podziemnych z zagadnieniem mętności mamy do czynienia zazwyczaj w odniesieniu do wód zawierających żelazo oraz mangan. Podobnie jak w niektórych sytuacjach barwa, tak i mętność wód podziemnych wywołana jest wytrącającymi się tlenkami Fe i Mn. Jest to zupełnie inny rodzaj mętności, niż występująca w wodach powierzchniowych. Mętność „odżelazową", bez trudu można usunąć na filtrach. Zazwyczaj w takich układach mętność wody, czy to surowej czy też uzdatnionej jest proporcjonalna do stężenia oraz stopnia utlenienia żelaza.