O właściwościach wody, zanieczyszczeniach wody oraz metodach jej uzdatniania i oczyszczania trochę teorii

W ostatnich dniach zadano mi kilka pytań dotyczących uzdatniania wody niewiadomego pochodzenia. Uznałem, że zagadnienie jest na tyle ważne oraz istotne, że postanowiłem poświęcić tej tematyce osobny wpis. Będzie on w dużej części teoretyczny, znaczna część tej wiedzy to informacje na poziomie gimnazjum i szkoły ponadgimnazjalnej. I to jest właśnie ta wiedza szkolna, która odpowiednio poukładana przydać się może w życiu codziennym oraz w sytuacjach kryzysowych.

Czy w sytuacji wyjątkowej taki staw może być dla mnie wodopojem? 

Wpis ten podzielę na wyraźne części, dla Czytelników, którzy mogą nie mieć ochoty na czytanie przydługiego tekstu. Zalecam jednak poświęcenie kilku minut, ponieważ w mojej opinii pozwoli to lepiej zrozumieć merritum zagadnienia.

WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI WODY

Najpierw kilka słów na temat właściwości samej wody. Spokojnie. Nie jest to powtórka z chemii oraz fizyki ;-). Jeszcze nie ;-). Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem wielu sbstancji chemicznych. Praktycznie prawie każda substancja w jakimś stopniu rozpuszcza się w wodzie. W chemii możemy dokonać podziału substancji ze względu na rozpuszczalność w wodzie. Są substancje dobrze rozpuszczalne  w wodzie, średnio rozpuszczalne  w wodzie, słabo rozpuszczalne w wodzie oraz nierozpuszczalne w wodzie. Jeden z takich podziałów funkcjonuje w nauczaniu chemii, fizyki. Są dostępne tabele rozpuszczalności, z których możemy odczytać ile danej substancji w gramach rozpuści się w w określonej ilości wody w określonej temperaturze. Przy czym moje małe zastrzeżenie – PRAWIE KAŻDA SUBSTANCJA W JAKIMŚ STOPNIU ROZPUSZCZA SIĘ W WODZIE. Oznacza to, że w praktyce posiadanie „czystej wody”, w której nic nie jest rozpuszczone jest praktycznie niemożliwe. Nawet w wodzie destylowanej znajdują się rozpuszczone  w niej gazy atmosferyczne  (tlen, azot, dwutlenek węgla). Kolejna sprawa, która niektórzy mogą sobie ze szkoły przypomnieć. Wraz ze wzrostem temperatury

1. rozpuszczalność ciał stałych rośnie

2. rozpuszczalność gazów maleje

zazwyczaj.

O co tu chodzi? No już mamy tutaj nasze doświadczenie życiowe, dzięki któremu wiemy, że w ciepłej herbacie lepiej nam się rozpuści cukier. To wynika właśnie  z tego, że wraz ze wzrostem temperatury rozpuszczalność ciał stałych rośnie. Ale też możemy sobie przypomnieć, że gdy otwieramy nową butelkę napoju gazowanego, który jest ciepły, to mamy większe prawdopodobieństwo, że nam wykipi i musimy być ostrożni przy otwieraniu, bo gaz szybko wylatuje. Może niektórzy zauważyli, że z napojem z lodówki rzadziej się to zdarza. Wynika to właśnie z tego, że wraz ze wrostem temperatury rozpuszczalność gazów w cieczach maleje, więc w wodzie zimnej tego gazu rozpuści się więcej, niż w wodzie ciepłej. Ten gaz w napojach to dwutlenek węgla. To już jednak pewne uproszczenie, ponieważ część dwutlenku węgla w wodzie nie rozpuszcza się, ale wchodzi z wodą w reakcję chemiczną, tworząc kwas węglowy. To dlatego gazowana woda jest lekko kwaśna. Krótko tutaj o kwaśnych deszczach. O co tu chodzi? W zanieczyszczonym powietrzu występuje chociażby tlenek siarki i tlenek azotu (pomijam już tutaj kwestię wartościowości oraz wzorów chemicznych). Te gazy (oraz dwutlenek węgla) reagują nam z wodą tworząc kolejno kwas siarkowy, kwas azotowy oraz kwas węglowy. Oczywiście nie mamy tutaj do czyienia z dużymi stężeniami, ale jednak te związki w opadach występują. 

To by było na tyle w kwestii samych właściwości wody. Mógłbym napisać o wiele więcej, skupiłem się tylko na podstawowych właściwościach wody jako rozpuszczalnika.  

RODZAJE ZANIECZYSZCZEŃ WODY

Podział zanieczyszczeń możemy dokonać stosując różne kryteria.

Możemy podzielić je ze względu na pochodzenia. Co prawda to kryterium nie ma znaczenia zbytniego z punktu widzenia osoby, która chce sobie wodę do picia uzdatnić, ale warto je znać.  I tak wyróżniamy zanieczyszczenia:

Naturalne.  Mogą one pochodzi z domieszek zawartych w wodach powierzchniowych i podziemnych – np. zasolenie, zanieczyszczenie związkami żelaza. Mogą też być wynikiem czynników biologicznych - zanieczyszczenie mikroorganizmami, odchodami zwierząt… Pamiętajmy, że woda to źródło życia nie tylko dla nas ludzi.  Pamiętajmy, że jeśli coś jest naturalne, nie oznacza od razu, że dla nas mniej szkodliwe. 

Zanieczyszczenia sztuczne. Inaczej antropogeniczne, czyli związane z działalnością człowieka. Mogą pochodzić  np.  ze ścieków, spływy z terenów rolniczych, składowisk odpadów komunalnych. Zanieczyszczenia sztuczne także możemy podzielić na grupę biologicznych (wszelkie mikroorganizmy i wirusy) oraz chemicznych (oleje, benzyna, smary, ropa, nawozy sztuczne, pestycydy, kwasy, zasady), radiologicznych (odpady radioaktywne, skażenie nuklearne dowolnego pochodzenia). 

Zanieczyszczenia możemy podzielić także ze względu na stopień szkodliwości. Według tego kryterium możemy wyróżnić:

Zanieczyszczenia bezpośrednio szkodliwe – fenole (gazownie, koksownie) kwas cyjanowodorowy (gazownie), kwas siarkowy i siarczany, kwaśny deszcz (fabryki nawozów sztucznych, celulozownie, fabryki włókien sztucznych). To zanieczyszczenia, które z naszego punktu widzenia są najbardziej istotne. 

Zanieczyszczenia pośrednio szkodliwe – takie, które prowadzą do zmniejszenia ilości tlenu w wodzie poniżej poziomu niezbędnego do utrzymania przy życiu organizmów wodnych (bada się między innymi czynnik BZT – biologiczne zapotrzebowanie na tlen).

Ze względu na trwałość zanieczyszczeń, możemy dokonać podziału na 

zanieczyszczenia rozkładalne – zawierające substancje organiczne, potencjalnie trujące, lecz podlegające przemianom chemicznym do prostych związków nieorganicznych przy udziale bakterii (ścieki domowe)

zanieczyszczenia nierozkładalne – zawierające substancje nie ulegające większym przemianom chemicznym i nie atakowane przez drobnoustroje 

zanieczyszczenia trwałe – zawierające substancje ulegające rozkładowi biologicznemu w niewielkim stopniu i pozostające w środowisku w niezmiennej formie przez długi okres (pestycydy, fenole, produkty destylacji ropy naftowej)

Możemy jeszcze dokonać podziału ze względu na źródło na punktowe, powierzchniowe lub obszarowe i liniowe. Pomijam jednak ich omówienie z uwagi na małą przydatność tej wiedzy z punktu oczyszczania i uzdatniania wody. 

Ze względu na skład zanieczyszczeń możemy dokonać podziału na:

Zanieczyszczenia mechaniczne lub fizyczne. Są to wszelkiego typu większe cząstki, piasek, częściowo gleba, liście.

Zanieczyszczenia biologiczne. Mam tu na myśli wszelkie mikroorganizmy, nie zagłębiając się w stopień ich szkodliwości dla człowieka. Tutaj także występowanie wirusów. Dlaczego osobo wspominam o wirusach? Otóż dla mnie jako biologa wirusy nie wrzucam do kategorii mikroorganizmów, ponieważ wirusy nie są organizmami żywymi. W wodzie znajdować się mogą także różnego typu „robaczki” (tutaj już za zbędne uznaję całkowicie podawanie nazw fachowych i systematycznych. Niektóre potencjalnie niebezpieczne, niektóry tylko stanowią dodatkowe kalorie w wodzie;-). 

Zanieczyszczenia chemiczne. Wszelkiego typu związki chemiczne rozpuszczone  wodzie w różnym stopniu. Nie wszystkie szkodliwe. Nas interesują różne trucizny i toksyny rozpuszczone w wodzie. Zanieczyszczenia radioaktywne. Przez jakiś czas zastanawiałem się jak je zakwalifikować, najwygodniej jednak będzie utworzyć dla nich osobną grupę. Są to zanieczyszczenia pierwiastkami i związkami radioaktywnymi, bardzo rzadko mają pochodzenie naturalne. 

Zanieczyszczenia magiczne, ezoteryczne, demoniczne... Bardzo obszerna grupa. Jeśli z jakimś zbiornikiem wody jest związana np. klątwa, to osoba pijąca z takiego zbiornika może tej klątwy doświadczyć. Innym przykładem jest wylanie trupiej wody pod nogi. W tym celu wylewa się na progu lub pod nogi wodę użytą do mycia ciała martwego człowieka. Taka woda jest ponoć w cenie i służy celom o jakich wspomniałem wyżej. To makabryczne i wręcz nieprawdopodobne, a jednak jest coraz powszechniej stosowane i ma moc bardzo niebezpiecznej klątwy, którą niewiele osób jest w stanie zdjąć. Zanieczyszczenie specyficzne. Nie ma jednolitej metody uzdatnienia, wszystko zależy od rytuału związane go z magią użytą do uzyskania danej wody. Może być pomocny dobry egzorcysta, ale i to nie zawsze działa. Zdziwiony / zdziwiona? To spokojnie;-) Ta grupa to CAŁKOWITY ŻART Z MOJEJ STRONY. 

RODZAJE ZANIECZYSZCZEŃ A METODY UZDATNIANIA WODY

Od tego z jakim rodzajem zanieczyszczeń wody mamy do czynienia od tego będziemy uzależniali dalsze postępowanie, by dana wodę móc przeznaczyć do konsumpcji.

Najłatwiej pozbyć się z wody zanieczyszczeń fizycznych, mechanicznych. Bardzo często robimy to dla zwykłej estetyki. Zanieczyszczenia te nie są dla nas najczęściej zagrożeniem, po prostu nie chcemy pić wody z piaskiem ani by w niej coś pływało. Jak możemy się pozbyć się różnych cząstek zanieczyszczających wodę? Najpowszechniejsze metody to:
- sedymentacja
- dekantacja
- filtracja.
Sedymentacja to nic innego jak osiadanie cząstek osady z zawiesiny. Brudna woda, jeśli pozostawimy ją w spokoju w np. wiadrze, to po pewnym czasie "brud" osiądzie na dnie. Wtedy możemy przeprowadzić tzw. dekantację, czyli nic innego jak zlać czysta wodę znad osadu.
Osobnym zagadnieniem jest kwestia filtracji. Działanie wszelkich filtrów mechanicznych sprowadza się do bardzo prostego mechanizmu sita. Przez sito przejdą cząstki mniejsze od "oczek" sita a większe pozostaną na sitach. Na tej zasadzie działają wszystkie filtry mechaniczne. Filtry takie mają także zastosowanie w przypadku zanieczyszczeń biologicznych, ponieważ każdy mikroorganizm, robaczek czy wirus ma określoną wielkość. Jeśli dany żyjątek jest większy od oczek filtra, to nie przejdzie przez nie. Ot - cała magia filtrów.

Zanieczyszczenia biologiczne to wszelkie małe organizmy, mikroorganizmy oraz wirusy. Mogą być dla nas szkodliwe, niektóre zabójcze, jednak zdecydowana większość z nich to dla nas po wypiciu jedynie źródło dodatkowych kalorii. Z jednym zastrzeżeniem. Zbędne produkty przemiany materii tychże mikroorganizmów mogą być dla nas toksyczne. Mamy wtedy połączenie zanieczyszczenia biologicznego z chemicznym, ale to nie jest miejsce na akademickie i szczegółowe podziały.
Jak możemy pozbyć się mikroorganizmów i wirusów oraz wszelkich innych żyjątek, które mogą być dla nas potencjalnie niebezpieczne? Jest kilka metod.
- filtracja i absorpcja (procesy fizyczne)
- obróbka termiczna
- odkażanie chemiczne
- napromieniowanie (nie tylko radioaktywne, ale o tym za chwilę).

Filtracja i absorpcja
Kłaniają się tutaj różnego typu filtry oraz węgiel drzewny i węgiel aktywny. Wymieniłem najpowszechniejsze rozwiązania, dostępne finansowo dla przeciętnego człowieka. Najważniejsze, że są to rozwiązania zazwyczaj dość skuteczne. Przykładem wykorzystania tego zjawiska może być wspomniana przeze mnie słomka życia, którą opisuję tutaj. Innym przykładem wykorzystania obu zjawisk jest bardzo prosty, taniutki filtr, nazwijmy go butelkowym. Filtr ten działa etapami. Warstwa piasku i żwiru zapewnia oczyszczanie mechaniczne dzięki samej filtracji. Warstwa węgla drzewnego także filtruje i absorbuje zanieczyszczenia. Węgiel aktywny ma szerokie zastosowanie, właśnie z powodu swoich właściwości sorbcyjnych. Napiszę wybrane zastosowania:
- filtry komercyjne do wody
- warstwy sorbcyjne  w niektórych maskach przeciwgazowych
- tabletki z węgla aktywnego (neutralizują toksyny w przewodzie pokarmowym, dzięki czemu biegunka mija).

Obróbka termiczna
Najbardziej efektywny sposób na zniszczenie wszelkich form życia. Skuteczna prawie w 100 procentach. Dlaczego? Proszę sobie przypomnieć ze szkoły średniej lub wcześniejszej terminy takie jak: denaturacja białek i denaturacja DNA. Wszystkie żywe organizmy na Ziemi są zbudowane z białek i DNA. Całość złożonych procesów biologicznych na Ziemi to forma aktywności białek, o których informacja jest zapisana w DNA (lub RNA, np.u wirusa HIV). Białka "niszczą się", gdy zostaną poddane wysokiej temperaturze, powiedzmy dla uproszczenia, że się rozpadają w sposób trwały. Użyje pewnego porównania. Mamy budowle z klocków. Zniszczenie budowli to rozwalenie układu klocków, same klocki jeszcze się do czegoś nadają, ale budowla już nie działa. W przypadku DNA (oraz pozostałych kwasów nukleinowych, niosących informację genetyczną) wysoka temperatura działa tak samo. Skoro więc wysoka temperatura niszczy trwale białka oraz materiał genetyczny, to potraktowany nią żywy organizm ginie. Martwy nic nam złego nie zrobi. Strawimy go i już. Pomijam na razie zupełnie aspekt czy wydzielił on jakieś toksyny do wody, które zachowują toksyczny charakter nawet przy obróbce termicznej (są takie). Kolejną sprawą jest długość gotowania wody. Według mnie kilka minut w zupełności wystarczy. Woda w całej swojej objętości osiągnie temperaturę wrzenia a o to właśnie chodzi. Inaczej sprawa wygląda przy obróbce termicznej ciał stałych, np. mięsa. Tutaj długość obróbki termicznej ma znaczenie kluczowe, ponieważ wysoka temperatura potrzebuje czasu, by spenetrować całą objętość mięsa. Dłuższe gotowanie wody bez przykrycia powoduje także usunięcie niektórych zanieczyszczeń chemicznych. Wtedy warto gotować wodę kilkanaście minut. Ma to jednak bardzo ograniczone zastosowanie i dotyczy toksyn, które albo mają charakter lotny, albo rozkładają się pod wpływem temperatury. Gotowanie nie zawsze odkaża więc wodę zanieczyszczoną chemicznie.

Odkażanie chemiczne
Niektóre substancję są truciznami. Nie tylko dla nas ale i dla innych żywych organizmów. Inne substancje są tak bardzo aktywne chemicznie, że "rozwalają" budowę białek. Mamy wtedy do czynienia z denaturacją chemiczna. Efekt jest taki sam, jak w przypadku denaturacji termicznej, inny jest tylko czynnik powodujący ten proces. Do najbardziej powszechnych takich substancji odkażających należy chociażby chlor, fluor, alkohol (etanol)... Weź proszę wykonaj sobie następujące doświadczenie. Do dowolnego naczynia wlej trochę wódki, następnie do tej wódki wbij białko surowe jajka kurzego i obserwuj co się dzieje. Możesz też wlać trochę swojej krwi do tej wódki. Obserwuj. Będziesz widział klasyczne objawy ścinania się (denaturacji) białka. Tak działa alkohol na naszą krew, na nasz mózg (w mikroskali oczywiście, ale mechanizm identyczny) oraz tak działa na mikroorganizmy. Chlor i fluor podobnie - silne trucizny. W małym stężeniu dla nas nie są szkodliwe aż tak bardzo, ale mikroorganizmy zabiją. Tutaj kłania się chlorowanie wody, używanie wybielaczy do dezynfekcji, tabletki odkażające wodę. Te substancje to trucizny bardzo silnie działające, które w określonych stężeniach nas nie zabiją ale mikroorganizmy i wirusy owszem. Przypominam, że głównym mechanizmem ich działania jest denaturacja białek, co ma ogromne znaczenie w przypadku wirusów. Wirusy jako twory biologiczne nie będące organizmami żywymi są odporne na większość trucizn i toksyn (to dlatego antybiotykiem nie wyleczymy chorób wirusowych). Z wspomnianymi truciznami, których mechanizm polega na denaturacji jest inaczej - te substancję po prostu rozwalają molekularną strukturę ich cząstek.

Napromieniowanie
Dokładnie napromieniowanie, ale w bardzo szerokim tego słowa znaczeniu. Nie tylko promieniowanie gamma, beta ale także UV. Jak to działa? Promieniowanie to jest wysokoenergetyczne. Użyję pewnego porównania. Masz domek z klocków. Lekko dotkniesz noga, nic się nie stanie. Ale jak kopniesz to rozwalisz. Czym było de facto to kopnięcie? Niczym innym z fizycznego punktu widzenia, jak dostarczenie zbyt dużej ilości energii do układu. W mikroskali w świecie cząstek i atomów budujących żywe organizmy mamy do czynienia z bardzo podobnym mechanizmem. Promieniowanie o wysokiej energii rozwala strukturę białek a przede wszystkim nośnik informacji (DNA i RNA). To dlatego napromieniowanie niszczy większość drobnoustrojów. Jedną z prostszych metod częściowego odkażenia wody jest pozostawienie jej w przezroczystej butelce w pełnym słońcu. Znaczna część drobnoustrojów tego nie wytrzyma. Nie uznałbym tego jako metodę pewną, ale daje jakieś efekty.

Zanieczyszczenia chemiczne
Jedyną metodę, jaką można zastosować bez zaawansowanej technologii, to absorpcja. Kłania nam się znowu poczciwy węgiel drzewny, węgiel aktywny. Pomimo prostoty metody jest to naprawdę bardzo dobry sposób. Wspomniany przeze mnie filtr butelkowy dość skutecznie oczyszcza wodę z zanieczyszczeń mechanicznych, biologicznych i chemicznych. Na wszelki wypadek wypadałoby ta wodę jeszcze zagotować, ale to już bardziej dla spokojności sumienia... Węgiel drzewny wychwytuje znaczną część zanieczyszczeń chemicznych i biologicznych.

Inne przydatne „patenty”

1. Ziemniaki z ogniska
Mając tą wiedzę o węglu aktywnym, pamiętajcie, by podczas biwakowych ognisk przypalić odrobinę ziemniaki i zjeść tą przypaloną skórkę – dostarczycie wtedy trochę węgla aktywnego.

2. Jednym z bardzo prostych i dość skutecznych sposobów na pozbycie się intruzów z przewodu pokarmowego jest spożywanie tymianku oraz oregano. Zawierają one tymol – jest on silną trucizną, ale my go nie wchłaniamy z przewodu pokarmowego. Zabija on natomiast pasożyty oraz różne mikroorganizmy. Nie jest to jednak metoda bardzo skuteczna. Jednak prostota i łatwość jej użycia sprawiają, że mogę ją polecić, jako środek profilaktyczny w terenie i w trudnych czasach. Po prostu codziennie jedzmy odrobinę tych ziół.