Καθαρισμός πόσιμου νερού είναι η διαδικασία με την οποία αφαιρούνται από το νερό ανεπιθύμητες χημικές ουσίες, οργανικά και ανόργανα υλικά και βιολογικοί ρύποι. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει επίσης την απόσταξη (τη μετατροπή υγρού σε ατμό για τη συμπύκνωση του σε υγρή μορφή) και την αποιονοποίηση (απομάκρυνση ιόντων μέσω της εκχύλισης διαλυμένων αλάτων). Ένας σημαντικός σκοπός του καθαρισμού του νερού είναι η παροχή καθαρού πόσιμου νερού. Ο καθαρισμός του νερού καλύπτει επίσης τις ανάγκες ιατρικών, φαρμακολογικών, χημικών και βιομηχανικών εφαρμογών για καθαρό και πόσιμο νερό. Η διαδικασία καθαρισμού μειώνει τη συγκέντρωση προσμείξεων όπως αιωρούμενα σωματίδια, παράσιτα,  βακτήρια,  φύκια, ιούς και μύκητες. Ο καθαρισμός του νερού πραγματοποιείται σε κλίμακες από το πιο μεγάλο (π.χ. για μια ολόκληρη πόλη) έως το πιο μικρό (π.χ. για μεμονωμένα νοικοκυριά).

Οι περισσότερες κοινότητες  βασίζονται σε φυσικά υδάτινα σώματα ως πηγές πρόσληψης για τον καθαρισμό του νερού και για καθημερινή χρήση. Σε γενικές γραμμές, οι πόροι αυτοί μπορούν να ταξινομηθούν ως υπόγεια  ή επιφανειακά ύδατα και συνήθως περιλαμβάνουν υπόγειους  υδροφόρους ορίζοντες, κολπίσκους, ρέματα,  ποτάμια και λίμνες. Με τις πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις,  οι ωκεανοί  και οι θάλασσες αλμυρού νερού έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί ως  εναλλακτικές  πηγές νερού για κατανάλωση και οικιακή χρήση.

Προσδιορισμός της ποιότητας του νερού

Ιστορικά στοιχεία δείχνουν ότι η επεξεργασία του νερού αναγνωρίστηκε και ασκήθηκε από αρχαίους πολιτισμούς. Βασικές τεχνικές για τον καθαρισμό του νερού έχουν τεκμηριωθεί στα ελληνικά  και  σανσκριτικά  γραπτά, και οι Αιγύπτιοι χρησιμοποίησαν στυπτηρία για υγροποίηση, ήδη από το 1500 π.Χ.

Στη σύγχρονη εποχή, η ποιότητα στην οποία πρέπει να καθαριστεί το νερό καθορίζεται συνήθως από κρατικές υπηρεσίες. Είτε καθορίζονται τοπικά, σε εθνικό ή διεθνές επίπεδο, τα κρατικά πρότυπα συνήθως καθορίζουν μέγιστες συγκεντρώσεις επιβλαβών προσμείξεων που μπορούν να επιτραπούν για να είναι ασφαλές το πόσιμο νερό. Δεδομένου ότι είναι σχεδόν αδύνατο να εξεταστεί το νερό απλώς με βάση την εμφάνιση, έχουν αναπτυχθεί πολλαπλές διεργασίες, όπως φυσικές, χημικές ή βιολογικές αναλύσεις, για τη δοκιμή των επιπέδων μόλυνσης.

Τα επίπεδα οργανικών και ανόργανων χημικών ουσιών, όπως χλωριούχο, χαλκό,  μαγγάνιο,  θειικά άλατα και ψευδάργυρος, μικροβιακές παθογόνοι παράγοντες, ραδιενεργά υλικά και διαλυμένα και αιωρούμενα στερεά, καθώς και το pH η οσμή, το χρώμα και η γεύση, είναι μερικές από τις κοινές  παραμέτρους που αναλύονται για την αξιολόγηση της ποιότητας του νερού και των επιπέδων μόλυνσης.

Οι κανονικές οικιακές μέθοδοι, όπως το βραστό νερό ή η χρήση φίλτρου  ενεργού άνθρακα,  μπορούν να αφαιρέσουν ορισμένους ρύπους νερού. Αν και αυτές οι μέθοδοι είναι δημοφιλείς επειδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευρέως και φθηνά, συχνά δεν αφαιρούν πιο επικίνδυνους ρύπους. Για παράδειγμα, το φυσικό νερό πηγής από αρτεσιανά πηγάδια  θεωρούνταν ιστορικά καθαρό για όλους τους πρακτικούς σκοπούς, αλλά τέθηκε υπό έλεγχο κατά τη διάρκεια της πρώτης δεκαετίας του 21ου αιώνα λόγω ανησυχιών για τα φυτοφάρμακα, τα  λιπάσματα και άλλες χημικές ουσίες από την επιφάνεια που εισέρχονται σε πηγάδια. Ως αποτέλεσμα, τα αρτεσιανά πηγάδια υποβλήθηκαν σε επεξεργασία και δοκιμές, συμπεριλαμβανομένων δοκιμών για το παράσιτο  Cryptosporidium.

Δεν έχουν όλοι οι άνθρωποι πρόσβαση σε ασφαλές πόσιμο νερό. Σύμφωνα με έκθεση του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας (ΠΟΥ) του  ΟΗΕ το 2017, 2,1 δισεκατομμύρια άνθρωποι δεν έχουν πρόσβαση σε ασφαλή και αξιόπιστη παροχή πόσιμου νερού στο σπίτι. Το 88% των τεσσάρων δισεκατομμυρίων ετήσιων περιπτώσεων διάρροιας    που αναφέρθηκαν παγκοσμίως έχουν αποδοθεί στην έλλειψη πόσιμου νερού υγιεινής.

Κάθε χρόνο περίπου 525.000 παιδιά κάτω των πέντε ετών πεθαίνουν από διάρροια, η δεύτερη κύρια αιτία θανάτου και 1,7 εκατομμύρια αρρωσταίνουν από διάρροια  που προκαλείται από μη ασφαλές νερό, σε συνδυασμό με ανεπαρκή αποχέτευση και υγιεινή.

Διεργασία

Το μεγαλύτερο μέρος του νερού που χρησιμοποιείται στις βιομηχανικές χώρες υποβάλλεται σε επεξεργασία σε μονάδες επεξεργασίας νερού. Αν και οι μέθοδοι που χρησιμοποιούν αυτά τα εργοστάσια στην προ-επεξεργασία εξαρτώνται από το μέγεθός τους και τη σοβαρότητα της μόλυνσης, οι πρακτικές αυτές έχουν τυποποιηθεί ώστε να διασφαλίζεται η γενική συμμόρφωση  με τους εθνικούς και διεθνείς κανονισμούς. Το μεγαλύτερο μέρος του νερού καθαρίζεται αφού αντληθεί από τη φυσική του πηγή ή κατευθυνθεί μέσω αγωγών σε δεξαμενές συγκράτησης. Μετά τη μεταφορά του νερού σε κεντρική τοποθεσία, αρχίζει η διαδικασία καθαρισμού.

Προ-επεξεργασία

Στην προ-επεξεργασία, οι βιολογικοί ρύποι, οι χημικές ουσίες και άλλα υλικά αφαιρούνται από το νερό. Το πρώτο βήμα σε αυτή τη διαδικασία είναι ο έλεγχος, ο οποίος αφαιρεί μεγάλα σκουπίδια όπως ξύλα, λάστιχα και άλλα σκουπίδια από το νερό που πρόκειται να υποβληθεί σε επεξεργασία.

Ο έλεγχος χρησιμοποιείται γενικά κατά τον καθαρισμό επιφανειακών υδάτων όπως αυτό από λίμνες και ποτάμια. Τα επιφανειακά ύδατα παρουσιάζουν  μεγαλύτερο κίνδυνο μόλυνσης με μεγάλες ποσότητες προσμείξεων. Η προ-επεξεργασία μπορεί να περιλαμβάνει την προσθήκη χημικών ουσιών για τον έλεγχο της ανάπτυξης βακτηρίων σε σωλήνες και δεξαμενές (προ-χλωρίωση) και ένα στάδιο που ενσωματώνει διήθηση άμμου, το οποίο βοηθά τα αιωρούμενα στερεά να εγκατασταθούν στο κάτω μέρος μιας δεξαμενής αποθήκευσης.

Η προετοιμασία, στην οποία το νερό με υψηλή περιεκτικότητα σε ανόργανα άλατα (σκληρό νερό) υποβάλλεται σε επεξεργασία με ανθρακικό νάτριο  (ανθρακικό νάτριο), αποτελεί επίσης μέρος της διαδικασίας προ-επεξεργασίας. Κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος, το ανθρακικό νάτριο προστίθεται στο νερό για να εξαναγκάσει το  ανθρακικό ασβέστιο, το οποίο είναι ένα από τα κύρια συστατικά στα κελύφη της θαλάσσιας ζωής και είναι ένα ενεργό συστατικό στο γεωργικό ασβέστη. Η προετοιμασία εξασφαλίζει ότι το σκληρό νερό, το οποίο αφήνει πίσω του ορυκτά κοιτάσματα που μπορούν να φράξουν τους σωλήνες, μεταβάλλεται για να επιτευχθεί η ίδια συνοχή με το μαλακό νερό.

Η προ-χλωρίωση, η οποία είναι συχνά το τελικό βήμα της προ-επεξεργασίας και μια συνήθης πρακτική σε πολλά μέρη του κόσμου, έχει αμφισβητηθεί από τους επιστήμονες. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας προ-χλωρίωσης, το χλώριο εφαρμόζεται σε ακατέργαστο νερό που μπορεί να περιέχει υψηλές συγκεντρώσεις φυσικής οργανικής ύλης. Αυτή η οργανική ύλη αντιδρά με το χλώριο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απολύμανσης και μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό υποπροϊόντων απολύμανσης (DBPs), όπως τριχαλομεθάνες, αλοακετικά οξέα, χλωρίτη και βρωμιούχο κάλιο. Η έκθεση σε DBPs στο πόσιμο νερό μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα υγείας. Οι ανησυχίες προέρχονται από την πιθανή συσχέτιση της πρακτικής με τον καρκίνο του στομάχου  και της ουροδόχου κύστης  και τους κινδύνους απελευθέρωσης  χλωρίου  στο  περιβάλλον.

Άλλα βήματα  καθαρισμού

Μετά την προ-επεξεργασία, μπορεί να γίνει η χημική επεξεργασία και βελτίωση του νερού. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει πήξη, μια διαδικασία στην οποία προστίθενται χημικές ουσίες που προκαλούν μικρά σωματίδια που αιωρούνται στο νερό να συσσωρεύονται μεταξύ τους. Ακολουθεί κροκίδωση, η οποία αναμιγνύει το νερό με μεγάλα κουπιά έτσι ώστε τα πήξη σωματιδίων να μπορούν να συγκεντρωθούν σε μεγαλύτερες συστάδες που σιγά-σιγά εγκαθίστανται στο κάτω μέρος της δεξαμενής ή της λεκάνης.

(Το οριζόντιο κουπί Flocculator® είναι μια συσκευή που έχει σχεδιαστεί για να αναμειγνύει απαλά το χημικά επεξεργασμένο νερό με σκοπό τον σχηματισμό συσσωματωμάτων και τη βελτίωση της καθίζησης στις λεκάνες καθίζησης.)

Αφού εγκατασταθεί η πλειοψηφία των αιωρούμενων σωματιδίων, το νερό εξέρχεται από τη λεκάνη κροκίδωσης και στη συνέχεια εισέρχεται σε μια λεκάνη καθίζησης. Οι λεκάνες καθίζησης μετακινούν επεξεργασμένα ύδατα κατά μήκος της διαδικασίας καθαρισμού, επιτρέποντας παράλληλα στα υπόλοιπα σωματίδια να κατακρατηθούν. Οι μορφές λάσπης που εμφανίζονται στο πάτωμα της δεξαμενής αφαιρούνται και υποβάλλονται σε επεξεργασία. Από αυτή τη λεκάνη, το νερό μετακινείται στο επόμενο βήμα, διήθηση, η οποία αφαιρεί τα υπόλοιπα αιωρούμενα σωματίδια όπως και πολλούς άλλους μικροοργανισμούς και φύκια.

Η απολύμανση είναι το τελικό βήμα για τον καθαρισμό του νερού. Κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος, επιβλαβή μικρόβια, όπως  βακτήρια, ιοί και  πρωτόζωα, σκοτώνονται με την προσθήκη απολυμαντικών χημικών ουσιών. Η απολύμανση περιλαμβάνει συνήθως μια μορφή  χλωρίου, ειδικών χλωραμινών ή διοξειδίου του χλωρίου. Το χλώριο είναι ένα τοξικό αέριο, με αποτέλεσμα να προκαλεί κίνδυνο από την απελευθέρωση που σχετίζεται με τη χρήση του. Για να αποφευχθούν αυτοί οι κίνδυνοι, ορισμένες μονάδες επεξεργασίας νερού χρησιμοποιούν  όζον,  υπεριώδη ακτινοβολία ή απολύμανση υπεροξειδίου του υδρογόνου  αντί για χλώριο. Άλλες  μεθοδολογίες καθαρισμού περιλαμβάνουν υπερδιήθηση για συγκεκριμένες διαλυμένες ουσίες, ανταλλαγή ιόντων  για την απομάκρυνση των μεταλλικών  ιόντων και  φθορίωση για την πρόληψη της  τερηδόνας.

Σε ορισμένες περιοχές του κόσμου που δεν έχουν  πρόσβαση σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού, πρέπει να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικές μέθοδοι καθαρισμού. Οι μέθοδοι αυτές περιλαμβάνουν  το βρασμό, το κοκκώδες φιλτράρισμα ενεργού άνθρακα, την απόσταξη, την αντίστροφη όσμ ωση και την απόσταξη μεμβράνης άμεσης επαφής.

Καθαρισμός βιομηχανικών υδάτων

Εκτός από την κατανάλωση νερού για οικιακές χρήσεις, οι βιομηχανίες καταναλώνουν επίσης σημαντικές ποσότητες νερού. Οι βιομηχανίες χημικών, πετρελαϊκών, η επεξεργασία τροφίμων, και οι  κλωστοϋφαντουργικές  βιομηχανίες, παραδείγματος χάριν, απαιτούν το νερό για την κατασκευή, την επεξεργασία, τη θέρμανση, την ψύξη, το πλύσιμο, το ξέπλυμα, και άλλες εφαρμογές. Τέτοια βιομηχανικά συστήματα απαιτούν επεξεργασμένο νερό και η έλλειψη κατάλληλου καθαρισμού μπορεί να οδηγήσει σε ζητήματα όπως η διάβρωση, η εναπόθεση, η βακτηριακή ανάπτυξη εντός του εξοπλισμού σωληνώσεων ή επεξεργασίας και η κακή ποιότητα των προϊόντων. Εκτός από τις συμβατικές διαδικασίες επεξεργασίας νερού, ο βιομηχανικός καθαρισμός του νερού μπορεί επίσης να περιλαμβάνει εξειδικευμένες τεχνικές όπως ηλεκτροδοτίαση, ανταλλαγή ιόντων, συστήματα μεμβράνης, επεξεργασία όζοντος, εξάτμιση και  υπεριώδη ακτινοβολία. Η επιλογή τεχνολογιών εξαρτάται από την ποιότητα του ακατέργαστου νερού και την προβλεπόμενη βιομηχανική χρήση.

Καθαρισμός αλατούχου νερού

Η συντριπτική πλειοψηφία των κοινοτήτων βασίζεται σε πόρους γλυκού νερού για την παροχή πόσιμου και οικιακού νερού. Ωστόσο, με τη συρρίκνωση των αποθεμάτων γλυκού νερού και τις αυξανόμενες απαιτήσεις για νερό που δημιουργούνται από φυσικούς παράγοντες όπως η ξηρασία, οι πλημμύρες και οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής,  αρκετές χώρες έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούν τους ωκεανούς και τις θάλασσες της ενδοχώρας ως εναλλακτικές πηγές νερού. Οι τεχνολογίες αφαλάτωσης  που αφαιρούν άλατα και μέταλλα από το θαλασσινό νερό  αναδύονται για την παραγωγή πόσιμου νερού κατάλληλου για πόσιμο και οικιακούς σκοπούς. Η αντίστροφη όσμωση, η απόσταξη κενού, η απόσταξη φλας πολλαπλών σταδίων, η κατάψυξη-απόψυξη και η ηλεκτροδιάλυση αποκτούν σημασία για τον καθαρισμό αλμυρού νερού. Τέτοιες διαδικασίες συνήθως συνεπάγονται υψηλότερη  κατανάλωση ενέργειας και είναι συγκριτικά πιο ακριβές από τις συμβατικές διαδικασίες επεξεργασίας γλυκού νερού. Καταβάλλονται πολυάριθμες προσπάθειες για να καταστούν οι μέθοδοι αφαλάτωσης οικονομικά αποδοτικές και οικονομικά βιώσιμες.

Διαμορφώσεις και βελτιώσεις συστήματος

Το μέγεθος και η χωρητικότητα των συστημάτων επεξεργασίας νερού ποικίλλουν σημαντικά, από απλές οικιακές μονάδες έως μικρές εγκαταστάσεις που εξυπηρετούν μεταποιητικές βιομηχανίες έως μεγάλης κλίμακας κεντρικές μονάδες επεξεργασίας νερού αφιερωμένες σε πόλεις και κωμοπόλεις. Η επιλογή ειδικών διαδικασιών επεξεργασίας εξαρτάται από παράγοντες όπως η ποιότητα του νερού εισαγωγής, ο απαιτούμενος βαθμός καθαρισμού, η προβλεπόμενη χρήση νερού, οι απαιτήσεις δυναμικότητας ροής, οι κυβερνητικοί κανονισμοί, το διαθέσιμο κεφάλαιο και οι σχετικές εργασίες και δαπάνες συντήρησης. Το επεξεργασμένο νερό διανέμεται στους καταναλωτές μέσω συστημάτων διανομής νερού που περιλαμβάνουν σωλήνες, αντλίες, σταθμούς ενίσχυσης, δεξαμενές αποθήκευσης και συναφείς εγκαταστάσεις.

Σε μια προσπάθεια να ανταποκριθούν στους αυστηρούς περιβαλλοντικούς κανονισμούς και να ικανοποιήσουν τις αυξανόμενες απαιτήσεις για νερό των αυξανόμενων πληθυσμών, πολλές μονάδες επεξεργασίας νερού έχουν χρησιμοποιήσει έξυπνες τεχνολογίες για να αυξήσουν την αξιοπιστία των λειτουργιών. Οι βελτιώσεις βιωσιμότητας των υδάτων, οι οποίες μπορούν να αυξήσουν την ενεργειακή απόδοση  μιας μονάδας και να μειώσουν το αποτύπωμα άνθρακα, συχνά περιλαμβάνουν τη βελτιστοποίηση της χημικής χρήσης, την ελαχιστοποίηση της παραγωγής αποβλήτων και τη χρήση ηλιακής ή αιολικής ενέργειας. Επιπλέον, με την πρόοδο εξελιγμένων τεχνολογιών, οι διαδικασίες επεξεργασίας νερού έχουν ενσωματώσει πολύπλοκα συστήματα οργάνων και ελέγχου διεργασιών. Η χρήση διαδικτυακών  αναλυτικών μέσων, συστημάτων εποπτικού ελέγχου και απόκτησης δεδομένων  (supervisory control and data acquisition  SCADA) και ειδικού  λογισμικού έχουν ως αποτέλεσμα την αυτοματοποίηση και μηχανοργάνωση των διαδικασιών επεξεργασίας με την πρόβλεψη απομακρυσμένων λειτουργιών. Τέτοιες  καινοτομίες  μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά τις λειτουργίες του συστήματος για να επιτύχουν συνεπή ποιότητα νερού με ελάχιστη επίβλεψη, ειδικά σε μεγαλύτερες διαμορφώσεις συστημάτων.