Uzdatnianie
Po ujęciu (wydobyciu) woda, ze względu na zanieczyszczenie, jest napowietrzana i kierowana do filtrów. Napowietrzanie usuwa niepożądane gazy, częściowo utlenia zanieczyszczenia (np. odżelazia) oraz podnosi stężenie tlenu rozpuszczonego, co powoduje przekształcenie części znajdujących się w wodzie substancji w osad, który następnie można łatwo odfiltrować. Urządzenia do tego służące nazywamy aeratorami. Napowietrzanie może odbywać się w zbiornikach ociekowych lub za pomocą dysz. Oddzieleniu wytrąconego osadu służą filtry z odpowiednim złożem. Jego rodzaj i rozłożenie warstw jest dobierane indywidualnie w zależności od charakterystyki wody. Stosowane są dwa rodzaje filtracji: powolna lub pospieszna.
Filtracja powolna
Polega na zalaniu dużej powierzchni filtra i samoistnym przesiąkaniu wody w jego głąb. Na dnie pod warstwą filtracyjną znajduje się drenaż, tj. system rur z otworami, którymi oczyszczona woda (filtrat) odpływa do dalszej obróbki. Filtry powolne czyści się poprzez zdjęcie wierzchniej warstwy złoża filtracyjnego i nasypanie nowego. Filtry takie są często używane jako wspomagające.
Posiadają ważną zaletę, ponieważ oczyszczają wodę nie tylko w sposób mechaniczny, ale także biologiczny. Na ich powierzchni tworzy się bowiem delikatna warstwa z żywych organizmów, która usuwa z wody substancje organiczne. Najczęściej w filtrach powolnych jako wypełnienie cedzące stosuje się piaski kwarcowe.
Największe systemy filtrów powolnych znajdują się w Łodzi i Warszawie. Warszawskie filtry wybudowane w latach 1883–1886, zlokalizowane są między ulicami Koszykową, Krzywickiego, Filtrową i Raszyńską. Należą one do systemu wodociągów zaprojektowanych i zbudowanych przez brytyjskiego inżyniera Williama Lindley'a.
Filtracja pospieszna
Jest o wiele bardziej wydajna, pozwala uzdatnić dużo większą ilość wody w krótszym czasie. W filtrach pospiesznych przesiąkanie wody wymusza się ciśnieniem. Pracują przy tym filtry otwarte i zamknięte. Pompy przepychają wodę przez warstwę filtracyjną składającą się z powłoki żwiru rozłożonej na perforowanych płytach. Jako warstwę filtracyjną używa się piasku kwarcytowego lub antracytowego, albo stosuje się warstwy kombinowane. Inaczej niż w filtrach powolnych zbiera się także filtrat. Nie potrzeba stosować rur perforowanych lub grzybków. Górne krawędzie filtrów są wyposażane w koryta przelewowe, których zadaniem jest doprowadzenie wody do filtra i odprowadzenie wód popłucznych. Czyszczenie tego typu filtrów też jest łatwiejsze – po prostu przepuszcza się wodę z powietrzem w przeciwnym kierunku i popłuczyny kieruje do kanalizacji lub podczyszczenia.
Aby dokładnie pozbyć się zanieczyszczeń, niekiedy nie wystarczy wykorzystanie złóż piaskowych. Należy wówczas zastosować odpowiednią kombinację reagentów lub specjalnie dobrane warstwy filtracyjne. Dwa najbardziej znane złoża filtracyjne to węgiel aktywny i braunsztyn.
Węgiel aktywny lub aktywowany to specjalnie produkowany rodzaj warstwy filtracyjnej o dużej porowatości, zdolnej skutecznie odseparować zanieczyszczenia. Składa się głównie z węgla pierwiastkowego, sadzy i grafitu oraz małych ilości popiołu i innych domieszek. Gdyby zmierzyć powierzchnię 1 grama węgla aktywnego, można by z zaskoczeniem stwierdzić, iż ze względu na olbrzymią porowatość, drobina tej substancji ma pole powierzchni porównywalne nawet do powierzchni dziesięciu kortów tenisowych.
Braunsztyn, zwany również piroluzytem, to dwutlenek manganu, który posiada właściwość przekształcania rozpuszczonego manganu w łatwo dający się oddzielić osad. Innymi sposobami usuwania zanieczyszczeń z wody są sedymentacja, koagulacja i flokulacja.
Sedymentacja
Jest to zdolność cząstek osadu do samodzielnego opadania. Wykorzystuje się ją raczej do oczyszczania ścieków niż wody. Urządzenia wykorzystujące to zjawisko nazywamy osadnikami. Do wspomagania sedymentacji wykorzystuje się koagulację i flokulację.
Flokulacja
Jest to zdolność do łączenia się w większe cząstki osadu pod wpływem reagentu zwanego flokulantem. Ważnym czynnikiem przy flokulacji jest prędkość mieszania wody z flokulantem. Ze względu na małe rozmiary cząstek i długi czas reakcji mieszanie musi być bardzo wolne i spokojne tak, aby nie rozbić cząstek już stworzonych.
Koagulacja
Jest to proces podobny do flokulacji i polega na łączeniu się powstałych cząstek w większe ich skupiska. Tym samym ich ciężar wzrasta i możliwe staje się ich coraz szybsze opadanie. Obydwa procesy: flokulacja i koagulacja są prowadzone w urządzeniach zwanych mieszalnikami.
Zmiękczanie wody
Woda twarda wytwarza osady kamienia i mułu kotłowego. Są to ciała stałe o różnej gęstości i składzie, powstające wewnątrz czajników elektrycznych, bojlerów, podgrzewaczy łazienkowych, kotłów grzewczych i wymienników cieplnych. Substancje te zakłócają ich normalną pracę i prowadzą do kosztownych awarii. Zmiękczania wody dokonuje się, wytrącając związki wapnia i magnezu, przez ogrzanie wody, użycie reagentów chemicznych, takich jak wapno i soda oraz jonitów zdolnych do specyficznej wymiany jonowej. Tak przygotowaną wodę można tłoczyć do sieci. Często jednak przedtem należy ją oczyścić bakteriologicznie.
Wstępnie oczyszczona woda poprzez filtrowanie, sedymentację, floktuację czy koagulację może nadal posiadać groźne dla zdrowia mikroorganizmy. Aby je usunąć, należy przeprowadzić proces dezynfekcji. Najprostszym i najstarszym sposobem, stosowanym często przez nasze mamy, babcie, a niejednokrotnie przez nas samych, jest po prostu przegotowanie wody. Wysoka temperatura zabija bowiem większość bakterii i wirusów. Na skalę przemysłową jest to jednak rozwiązanie problematyczne i nieopłacalne, dlatego stosuje się szereg innych zabiegów pozwalających usunąć zagrażające nam drobnoustroje.
Chlorowanie
Jest najbardziej rozpowszechnionym sposobem dezynfekcji. Ze względów ekonomicznych stosuje się najczęściej chlor gazowy. Po wymieszaniu z wodą w urządzeniach zwanych chloratorami, chlor przechodzi w chlor wolny, który posiada silne właściwości utleniające. Powoduje to szybki rozpad błon komórkowych, a tym samym śmierć bakterii. Ponadto posiada on zdolność utleniania innych substancji organicznych, a także żelaza i manganu. Po wykorzystaniu właściwości wolnego chloru, w wodzie pozostaje pewna dawka chloru użytecznego w postaci kwasu podchlorawego, jego anionów lub związków organicznych (chloroaminy). Związki te mają słabsze właściwości dezynfekcyjne, jednak są na tyle trwałe i silne, by zapobiec kontaminacji, czyli wtórnemu skażeniu wody, które następuje w momencie, gdy nie wszystkie przetrwalniki bakterii i wirusów zostaną zabite podczas chlorowania. Zapobiega się temu, stosując nadwyżkę chloru. Właśnie dlatego czujemy nieraz jego zapach po odkręceniu kranu. W technice uzdatniania wody stosuje się nie tylko chlor gazowy, ale także jego sole, na przykład podchloryn sodowy czy chlorowane aminy. Niestety, koszty dezynfekcji prowadzonej za pomocą tych środków są zbyt wysokie, by używać ich na skalę przemysłową. Podchloryn za to często stosuje się w basenach kąpielowych, a sole aminowe w domowych środkach czyszczących. Wadą chlorowania jest tworzenie przez chlor połączeń z substancjami organicznymi (trihalometanów – tzw. THM-ów), które posiadają właściwości rakotwórcze. Jest to główny powód powolnego odchodzenia od stosowania chloru w stacjach uzdatniania wody.
Ozonowanie
Ozon to trójatomowy tlen o charakterystycznym „świeżym” zapachu powstającym w przyrodzie podczas wyładowań atmosferycznych. Na skalę przemysłową ozon wytwarzany jest w generatorach ozonu pod wpływem cichych wyładowań elektrycznych. Obecnie ozon wykorzystywany jest w procesach oczyszczania wody do zaawansowanego utleniania oraz do dezynfekcji końcowej, jednak ze względów ekonomicznych proces dezynfekcji przejmują lampy UV. Gaz ten łatwo reaguje z wieloma zanieczyszczeniami obecnymi w wodzie, dzięki temu używany jest do usuwania żelaza, manganu, siarkowodoru, barwy, a także do podczyszczania ścieków. Po utlenieniu zanieczyszczeń ozon resztkowy przekształca się w czysty tlen, nie wytwarzając rakotwórczych produktów ubocznych, co sprawia, że jest to najlepszy produkt ekologiczny w procesach uzdatniania wody pitnej, w przemyśle napojowym i spożywczym oraz w basenach kąpielowych, co można łatwo rozpoznać po pięknej, niebieskiej barwie.
Ultrafiolet
Innym sposobem dezynfekcji jest stosowanie promieniowania UV. Promieniowanie ultrafioletowe, choć niewidzialne, ma silne działanie fotochemiczne – przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych. Jednak tak samo jak w ozonowaniu, nie ma możliwości zabezpieczenia wody przed wtórnym zanieczyszczeniem. W tym procesie woda przepływa przez otwartą komorę oświetlaną lampami UV.
Ultradźwięki
Pod wpływem drgań fal dźwiękowych, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby usłyszał je człowiek, bakterie i wirusy są rozrywane. Również ta metoda nie zabezpiecza wody przed wtórnym zanieczyszczeniem.
Nadmanganian i dwuchromian
Są silnymi utleniaczami, jednak ze względu na to, iż chrom i mangan są niezdrowe dla ludzi, nie są stosowane. Nadmanganian występuje czasami w zestawach biwakowych do uzdatniania małych ilości wody w trudnych warunkach terenowych. Innymi utleniaczami niestosowanymi ze względów ekonomicznych i zdrowotnych są fluor i jod.
Ultrafiltracja
Ma bardzo małe zastosowanie w uzdatnianiu wody, a polega na odfiltrowywaniu jej przez złoża, w których szczeliny między ziarnami są tak dobrane, że zatrzymują chorobotwórcze bakterie. Metoda charakteryzuje się małą wydajnością, długim czasem potrzebnym do przepływu wody przez filtr i brakiem możliwości zatrzymania wirusów. Nie przeciwdziała także wtórnemu skażeniu.
Odwrócona osmoza
Odwrócona osmoza jest niezwykle skutecznym sposobem uzdatniania wody; należy do procesów membranowych pozwalających na oddzielenie zanieczyszczeń rozpuszczalnych i koloidalnych znajdujących się w wodzie. Metoda polega na przepuszczeniu wody pod wysokim ciśnieniem przez membranę. Wykorzystuje się tu zjawisko półprzepuszczalności błony osmotycznej. Cząsteczki wody przechodzą przez membranę, tworząc permeat, a cząsteczki soli i innych zanieczyszczeń, takich jak np. bakterie, koloidy, itp. zostają w tak zwanym koncentracie po stronie naporu wody surowej, skąd są odprowadzane do kanalizacji. Za pomocą tej metody uzyskujemy redukcję zanieczyszczeń rzędu 90-98%. Instalacja uzdatniania wody metodą odwróconej osmozy jest eksploatowana przez Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w Jarosławiu.
Usuwanie azotanów
Istotnym problemem dotyczącym płytkich ujęć wód podziemnych, położonych w sąsiedztwie nieszczelnych szamb oraz na intensywnie nawożonych terenach rolniczych, jest występowanie dużych ilości azotanów. Jony te w niekorzystny sposób wpływają na zdrowie człowieka, powodując – zwłaszcza u małych dzieci – choroby niedokrwienne i nowotworowe. Proces usuwania azotanów zachodzi w wymiennikach jonowych w trakcie przepływania uzdatnianej wody przez specjalną żywicę jonowymienną regenerowaną roztworem soli kuchennej (NaCl). Innym sposobem usuwania azotanów jest częściowa demineralizacja wody metodą odwróconej osmozy.
Inne metody
Do innych metod można zaliczyć dodawanie do wody metali ciężkich, głównie miedzi i srebra. Jest to jednak sposób bardzo kosztowny, a przez to nieopłacalny. Srebro stosuje się na szeroką skalę w branży turystycznej do filtrów przenośnych. Właściwości bakteriobójcze tego metalu wykorzystywano już pod koniec XVIII wieku. W tym okresie armia austriacka posiadała na wyposażeniu manierki posrebrzane w środku.
