Water

Achtergrond

Water is een chemische verbinding die de meeste planten en dieren op aarde nodig hebben om in leven te blijven. Zuiver water is een smaakloze, geurloze, transparante vloeistof. In kleine hoeveelheden is het kleurloos, maar in grotere hoeveelheden krijgt het een blauwachtige tint. Water is een uitstekend oplosmiddel en bevat daarom meestal een grote verscheidenheid aan opgeloste mineralen en andere chemicaliën. Het kan ook bacteriën dragen en ondersteunen. Het meeste water dat via gemeentelijke watersystemen wordt gedistribueerd, wordt behandeld om schadelijke stoffen te verwijderen. Sommige gebottelde wateren ondergaan een nog verdere behandeling om bijna alle onzuiverheden te verwijderen. Het Engelse woord water is afgeleid van het Duitse woord wasser, die op zijn beurt is afgeleid van een oud Indo-Europees woord dat nat of wassen betekent.

Het gecontroleerde gebruik van water dateert van minstens 8.000 v. Chr. toen boeren in Egypte en delen van Azië overstromingen opsloten voor irrigatie van gewassen. Het concept om irrigatiekanalen te gebruiken om water naar gewassen te brengen, in plaats van te wachten op een overstroming, werd voor het eerst ontwikkeld rond 2000 v.Chr. in Egypte en Peru. Rond 1.000 v. Chr. , heeft de stad Karcho, in wat nu Jordanië is, twee aquaducten gebouwd om de bevolking van de stad van voldoende water te voorzien. Dit is het eerste geregistreerde geval van een geplande gemeentelijke watervoorziening.

Vroege waterbehandeling was verrassend geavanceerd, hoewel zelden toegepast. Een oud Sanskriet-manuscript, uit wat nu India is, adviseert dat drinkwater in koperen vaten moet worden bewaard, aan zonlicht moet worden blootgesteld en door houtskool moet worden gefilterd. Oude Egyptische inscripties geven soortgelijk advies. Veel van deze methoden worden nog steeds gebruikt. In ongeveer 400 v. Chr. , suggereerde de Griekse arts Hippocrates dat water moet worden gekookt en door een stuk doek moet worden gezeefd. Ondanks deze vroege verwijzingen dronken de meeste mensen onbehandeld water uit stromende beekjes of ondergrondse bronnen. Zolang er geen besmettingsbronnen in de buurt waren, was dit een bevredigende oplossing.

Naarmate de bevolking van Europa en andere delen van de beschaafde wereld groeide, raakten hun waterbronnen steeds meer vervuild. In veel steden waren de rivieren die als primaire drinkwaterbronnen dienden zo ernstig vervuild met rioolwater dat ze op open beerputten leken. Cholera, tyfus en vele andere door water overgedragen ziekten eisten hun tol. In 1800 toonde William Cruikshank uit Engeland aan dat kleine doses chloor ziektekiemen in water zouden doden. Tegen de jaren 1890 ontdekten verschillende gemeenten dat het langzaam filteren van water door zandbedden ook de incidentie van ziekten aanzienlijk kon verminderen. De publieke verontwaardiging voor veilig drinkwater bereikte zo'n hoogtepunt dat tegen het begin van de twintigste eeuw de meeste grote steden in de Verenigde Staten een soort waterzuiveringssysteem hadden geïnstalleerd.

Zelfs met waterzuivering bleef waterverontreiniging een ernstige zorg, aangezien een toenemende hoeveelheid industrieel afval in de rivieren en meren van het land stroomde. Toen de nadelige gezondheidseffecten van lood, arseen, pesticiden en andere chemicaliën bekend werden, was de federale regering van de Verenigde Staten verplicht de Water Pollution Control Act van 1948 goed te keuren. Dit was de eerste uitgebreide wetgeving die de waterkwaliteit definieerde en reguleerde. Het werd gevolgd door een reeks steeds strengere eisen, die culmineerden in de huidige waterkwaliteitsnormen van het Environmental Protection Agency (EPA). Naast de federale normen hebben de meeste staten hun eigen waterkwaliteitswetten, en sommige staatswetten zijn strenger dan die gespecificeerd door de EPA.

Soorten water

Zuiver water is een bijna onbestaande entiteit. Het meeste water bevat wisselende hoeveelheden opgeloste mineralen en zouten, plus een overvloed aan zwevende deeltjes zoals slib en microscopisch organisch materiaal. Verschillende soorten water worden geclassificeerd op basis van de aanwezigheid of afwezigheid van deze onzuiverheden.

Kraanwater, of gemeentelijk water, heeft een reeks behandelingen ondergaan om schadelijke bacteriën te doden, sedimenten te verwijderen en onaangename geuren te elimineren. Er kunnen om verschillende redenen ook een of meer chemicaliën aan zijn toegevoegd.

Hard water bevat grote hoeveelheden calcium- en magnesiumzouten. Hierdoor vormt zeep wrongel. Hard water wordt verder onderverdeeld in tijdelijk hard water en permanent hard water. Tijdelijk hard water bevat bicarbonaten van calcium en/of magnesium, die reageren om een ​​harde stof genaamd kalkaanslag te vormen wanneer het water wordt verwarmd. Kalk kan boilers en leidingen verstoppen en afzettingen op kookgerei achterlaten. Blijvend hard water bevat sulfaten, chloriden of nitraten van calcium en/of magnesium, die niet worden aangetast door verhitting. Zacht water bevat relatief weinig calcium- en magnesiumzouten, hoewel de definitie van "laag" varieert. De term "onthard water" verwijst naar hard water waaruit voldoende zouten chemisch zijn verwijderd om de vorming van zeepwrongel te voorkomen. Het bevat veel natriumchloride.

Als water een grote hoeveelheid opgeloste mineralen bevat, wordt het mineraalwater genoemd. Mineraalwater kan worden onderverdeeld in vijf hoofdklassen:zout, alkalisch, ijzerhoudend, zwavelhoudend en drinkbaar. Zout water heeft een hoog gehalte aan natrium of magnesiumsulfaat of natriumchloride. Alkalisch water heeft een hoge concentratie aan zouten waardoor het een pH heeft van ongeveer 7,2-9,5, waarbij een pH van 7 neutraal is en een pH van 14 sterk alkalisch. Ijzerhoudend water is rijk aan ijzer, waardoor het een roestige kleur krijgt. Zwavelhoudend water is rijk aan zwavelverbindingen en onderscheidt zich door de geur van rotte eieren. Drinkwater heeft een mineraalgehalte van minder dan 500 delen per miljoen en wordt meestal gebotteld en verkocht als speciaal drinkwater.

Koolzuurhoudend water, sodawater en bruisend water bevatten allemaal opgelost koolstofdioxide. Dit kan van nature voorkomen waar kalksteen of ander carbonaatgesteente aanwezig is, of het koolstofdioxide kan kunstmatig onder druk worden toegevoegd.

Bronwater en artesisch water onderscheiden zich alleen door het feit dat ze op natuurlijke wijze uit de grond stromen zonder de hulp van boren of pompen. Anders is er niets dat ze anders maakt dan water uit andere bronnen.

Gedestilleerd water is gezuiverd door een verdamping-condensatieproces dat de meeste, maar niet alle, onzuiverheden verwijdert. Gedeïoniseerd water is gezuiverd door een ionenuitwisselingsproces, waarbij zowel positieve ionen, zoals calcium en natrium, als negatieve ionen, zoals chloriden en bicarbonaten, worden verwijderd. Het wordt soms gedemineraliseerd water genoemd. Gezuiverd water is gemeentelijk water dat koolstoffiltratie, destillatie, deïonisatie, omgekeerde osmose, ultraviolette sterilisatie of een combinatie van deze processen heeft ondergaan om bijna alle mineralen en chemische elementen, zowel goede als slechte, te verwijderen.

Grondstoffen

Een watermolecuul bestaat uit twee waterstofatomen gebonden aan één zuurstofatoom. Het chemische symbool is H ₂ O. Water bevat meestal ook een breed scala aan organische en anorganische materialen in oplossing of suspensie.

Bij het behandelen van water voor gebruik in een gemeentelijk systeem kunnen verschillende chemicaliën worden toegevoegd. Deze omvatten ontsmettingsmiddelen zoals chloor, chlooramine of ozon; stollingsmiddelen zoals aluminiumsulfaat, ijzerchloride en verschillende organische polymeren; zuurteneutraliserende middelen zoals bijtende soda of limoen; en chemicaliën om tandbederf te helpen voorkomen in de vorm van verschillende fluorideverbindingen.

Het behandelproces

Het specifieke waterbehandelingsproces is afhankelijk van de beoogde toepassing. Wat water, zoals het water dat wordt gebruikt om gewassen te irrigeren, krijgt geen behandeling. Ander water, zoals het water dat wordt gebruikt om geneesmiddelen te maken, is sterk gezuiverd.

Hier is een typische reeks bewerkingen die worden gebruikt om gemeentelijk water te behandelen voor distributie naar huizen en bedrijven.

Verzamelen

• 1 Het meeste gemeentelijk water komt uit twee bronnen:grondwater en oppervlaktewater. Het meeste grondwater wordt afgetapt door putten te boren in de ondergrondse watervoerende laag, de aquifer genaamd. Een deel van het grondwater stijgt van nature in de vorm van bronnen. Oppervlaktewater wordt afgetapt door achter dammen rivieren in te dammen. Het omliggende gebied dat afwatert in de rivieren wordt de waterscheiding genoemd. In veel gevallen wordt de toegang tot en het gebruik van het stroomgebied beperkt om verontreiniging van het afstromende water te voorkomen.
• 2 Vanuit de put of dam wordt het water in open kanalen of gesloten leidingen naar de waterzuiveringsinstallatie gebracht. In sommige gevallen is de watervoorziening dichtbij de gemeente. In andere gevallen moet het water vele honderden kilometers (km) worden vervoerd om zijn bestemming te bereiken. Soms wordt het water onderweg opgeslagen in tussenliggende reservoirs om ervoor te zorgen dat er altijd voldoende aanbod is om aan de fluctuerende behoeften van een stad te voldoen.

Desinfecteren

• 3 In sommige waterzuiveringsinstallaties wordt het water in eerste instantie gedesinfecteerd door contact met ozonrijke lucht in een reeks kamers. Deze stap wordt door de meeste fabrieken in Europa gebruikt, maar slechts door enkele fabrieken in de Verenigde Staten. Ozon (03) wordt gevormd door perslucht door een hoogspanningsboog te leiden. Dit zorgt ervoor dat sommige zuurstofmoleculen in de lucht in tweeën splitsen en zich opnieuw hechten aan andere zuurstofmoleculen om ozon te vormen. Ozon doodt effectief de meeste ziektekiemen en vernietigt ook verbindingen die onaangename smaken en geuren veroorzaken. Het heeft echter een relatief korte levensduur en blijft niet in het water om het te beschermen tijdens opslag en distributie. Daarom wordt aan het einde van het zuiveringsproces een kleine dosis chloor of chlooramine aan het water toegevoegd.

Stolling/flocculatie

• 4 Het water gaat vervolgens door een flitsmenger waar chemicaliën, bekend als coagulanten, snel met het water worden gemengd. De coagulanten veranderen de elektrische lading rond zwevende deeltjes in het water en zorgen ervoor dat ze elkaar aantrekken en samenklonteren, of coaguleren.
• 5 Het water beweegt langzaam door een reeks kamers waar het zachtjes wordt gemengd door de wervelende stroom. Terwijl het water zich vermengt, blijven de geladen deeltjes tegen elkaar botsen en vormen ze nog grotere deeltjes die vlokken worden genoemd.

Afwikkelen

• 6 Het water stroomt in een bezinkbassin of tank waar de zware vlokken naar de bodem zinken. Sommige bezinkbassins hebben twee niveaus om hun capaciteit te verdubbelen. Het materiaal dat naar de bodem zakt, wordt uit het bassin gezogen met een apparaat zoals een zwembadvacuüm en wordt gedeponeerd in een bassin voor het vasthouden van vaste stoffen. Het opgevangen materiaal van het filter (stap 7) wordt ook toegevoegd aan het bassin voor het vasthouden van vaste stoffen. Deze gecombineerde materialen worden door een zwaartekrachtverdikkingsmiddel gestuurd en vervolgens door een pers waar het meeste water eruit wordt geperst. De resterende vaste stoffen worden in vrachtwagens geladen en naar een stortplaats getransporteerd voor verwijdering.

Filteren

• 7 Het gedeeltelijk gereinigde water gaat door verschillende lagen zand en poederkool, die de zeer kleine deeltjes die in het water achterblijven, opvangen. Sommige schadelijke organismen worden op deze manier ook gevangen in die waterzuiveringsinstallaties die geen ozon gebruiken als eerste ontsmettingsmiddel. De filterlagen worden periodiek teruggespoeld om het ingesloten materiaal te verwijderen.

Adsorptie

• 8 Bij sommige planten wordt het water door een bed van actieve koolkorrels geleid. Chemische verontreinigingen in het water kleven aan het oppervlak van de houtskool in een proces dat bekend staat als koolstofadsorptie.

Beluchten

• 9 In sommige gebieden waar het water ongewenste hoeveelheden ijzer en mangaan of bepaalde opgeloste gassen bevat, wordt het water vanuit grote bassins de lucht in gesproeid om het te beluchten. Wanneer het water zich vermengt met de lucht, neemt het zuurstof op, waardoor een deel van de verontreinigingen neerslaat. Andere verontreinigingen worden verwijderd door verdamping.

Fluoridering

• 10 In sommige waterzuiveringsinstallaties wordt een fluo-verbinding toegevoegd aan het water om tandbederf te helpen voorkomen. Fluoride komt van nature voor in sommige watervoorzieningen en extra hoeveelheden zijn niet nodig. In het verleden was fluoridering een veelbesproken onderwerp en niet elke gemeente voegt fluoride toe aan hun water.

Neutraliseren

• 11 Er kunnen andere chemicaliën aan het water worden toegevoegd om corrosie in leidingen en sanitair te helpen verminderen. Dit wordt gedaan door gecontroleerde hoeveelheden van bepaalde chemicaliën toe te voegen om de pH-factor op een neutraal niveau te brengen.

Distributie

• 12 Als het water de zuiveringsinstallatie verlaat, krijgt het een kleine dosis chloor of chlooramine om eventuele schadelijke bacteriën te doden die mogelijk in het distributiesysteem terecht zijn gekomen. Als de plant geen ozon gebruikt als eerste ontsmettingsmiddel, wordt er een grotere hoeveelheid chloor of chlooramine aan het water toegevoegd.
• 13 Nadat het water de plant verlaat, wordt het meestal opgeslagen in overdekte tanks of reservoirs om het te beschermen tegen verontreiniging. In sommige gebieden zijn deze opslagfaciliteiten hoger gelegen dan het omliggende terrein en wordt het water opgepompt in de tank of het reservoir. Deze verhoogde opslagpositie zorgt voor de druk die nodig is voor een goede doorstroming door de waterleidingen en leidingen in de stad. In andere gevallen wordt het water opgeslagen in voorzieningen op de begane grond en wordt de druk geleverd door elektrische pompen die naar behoefte werken.

Kwaliteitscontrole

De federale en staatsnormen voor waterkwaliteit stellen maximale besmettingsniveaus vast voor meer dan 90 organische, anorganische, microbiologische en radioactieve materialen die in water kunnen worden aangetroffen. Deze normen zijn verder onderverdeeld in primaire normen, die betrekking hebben op materialen die schadelijk kunnen zijn voor de mens, en secundaire normen, die betrekking hebben op materialen en eigenschappen die de esthetische eigenschappen, zoals smaak, geur en uiterlijk, kunnen beïnvloeden. Een typisch waterdistrict kan jaarlijks meer dan 50.000 chemische en bacteriologische analyses van de watervoorziening uitvoeren om ervoor te zorgen dat aan de normen wordt voldaan.

De Toekomst

De bezorgdheid van het publiek over veilig drinkwater zal naar verwachting in de toekomst leiden tot nog strengere waterkwaliteitsnormen. Ironisch genoeg gaat een van de meest recente zorgen niet over verontreiniging van buitenaf, maar over de effecten van een van de stoffen die gewoonlijk worden gebruikt om water te desinfecteren:chloor. Studies in de afgelopen 30 jaar hebben aangetoond dat chloor bepaalde verbindingen vormt met de organische materialen die in water worden aangetroffen. De meest voorkomende verbindingen worden trihalomethanen of THM's genoemd, die een risico van 1 op 10.000 hebben om kanker te veroorzaken wanneer ze gedurende een lange periode worden ingenomen of ingeademd. Een alternatief voor het gebruik van chloor is chlooramine, een combinatie van ammoniak en chloor die niet zo gemakkelijk THM's vormt. Veel waterzuiveringsinstallaties zijn al overgestapt op chlooramine. Andere alternatieve ontsmettingsmiddelen zijn onder meer ozon, ultraviolet licht, chloordioxide en een hybride van ozon en waterstofperoxide, peroxon genaamd.