Skolprojekt om behandlingar för vattenrening

Om du dricker vatten som inte har genomgått en reningsprocess - "råvatten" - riskerar du att drabbas av vattenburna sjukdomar som härrör från bakterier som Escherichia coli (E. coli) och parasiter som giardia. Det är därför som vattenrening är viktigt för alla och det gör projektreningsprojektidéer till ett särskilt bra val för en skolvetenskaplig mässa eller presentation. Men innan du hoppar in i ett projekt är det bäst att lära sig grunderna i varför vatten måste renas, det vill säga olika sätt på vilket det kan göras och vilka alternativ du har för en "metod för rening av vatten" projekt.

Kort sagt måste du rena vatten så att du kan vara säker på att det är säkert att dricka. De huvudsakliga riskerna i vatten är parasiter, bakterier, virus och kemiska föroreningar, naturligt förekommande men ändå giftiga metaller som bly eller kemiska kemikalier. Obehandlat vatten kommer förmodligen också att smaka ganska grovt.

De två viktigaste parasiterna som finns i vatten kommer från avföring. Det stämmer - om du dricker vatten från naturliga källor utan att behandla det dricker du också lite bajs. Detta är inte bara grovt; det är den främsta källan till risk när det gäller obehandlat vatten.

Giardia är ett exempel, och det finns i princip alla vattendrag i USA, som kommer från avföring från människor och djur. Om du blir smittad med giardia, kommer det att orsaka diarré, gas och smärtsamma magkramper, som börjar ungefär två eller tre dagar efter att du utsätts för. Generellt sett kommer detta inte att leda till några långvariga problem, men det kan det om du är immunsupprimerad.

Den andra stora parasiten är kryptosporidium, som drabbar nästan 750 000 amerikaner varje år. Detta liknar giardia genom att det tar ungefär två till tre dagar för symtomen att visa sig, och det leder i allmänhet till diarré och magkramper. Men "krypto" (som det ofta kallas) kan leda till allvarligare problem, såsom bukspottkörtelsymtom, kolera-liknande symtom hos immunsupprimerade människor och till och med möjligen leda till döden för personer som lider av AIDS. Giardia är lätt att ta bort med filter eller jodbehandling, men krypto stoppas inte av de flesta filter och behöver klordioxidbehandling eller kokning för att avlägsnas från vatten.

Många typer av bakterier kan finnas i råvatten, men E. coli är den vanligaste. Detta kan orsaka diarré, kramper, illamående och kräkningar, och förutom att vara väl hydrerad kan du behöva antibiotika i allvarliga fall. De vanligaste vattenbehandlingarna tar bort E. coli och andra bakterier från vatten, dock.

När det gäller virus är hepatit A den största risken från förorenat vatten. Det kan ta veckor innan symtom uppträder, som liknar de som diskuterats ovan, förutom med ledvärk, kramper, feber och gul hud utöver den vanliga diarré och kräkningar. Du kan få ett vaccin om du reser någonstans som inte behandlar vattnet ordentligt, men om du blir smittad är det viktigaste rådet att dricka mycket vätska och du kommer att vara OK om några dagar. Vattenbehandling med jod, klordioxid eller genom att bara koka vattnet skyddar dig vanligtvis mot virus i vatten.

Slutligen kan ett stort utbud av kemikalier vara närvarande i obehandlat vatten, och de kan orsaka en liknande ett brett spektrum av symtom, men som vanligt är diarré, illamående, kramper och liknande symtom mest troligt. Du kan filtrera bort dessa med hjälp av avdunstning, men många andra metoder (eller ännu bättre, en kombination av metoder) kan bli av med dem också.

Så om du inte är immunkomprometterad kommer du förmodligen inte att drabbas av svåra symtom från att dricka obehandlat vatten, men om du inte vill ha en obehaglig vecka med diarré och kramper bör du alltid behandla ditt vatten.

Det finns olika tillvägagångssätt du kan undersöka eller testa för ett "metoder för rening av vatten". De kan dock delas upp i ganska enkla grupper: kokning eller destillation, filtrering och olika kemiska behandlingar.

Kokning är utan tvekan den enklaste metoden för att rena vatten, även om du behöver en värmekälla för att göra det, och det tar lite tid för vattnet att svalna igen så att det faktiskt kan användas. Kokning är dock en mycket effektiv metod för rening, och det tar bara tre minuter med kraftig kokning för att avlägsna risken från bakterier, parasiter och virus i vattnet. Den största utmaningen, förutsatt att du har rätt utrustning, är att förhindra återkontaminering efter att vattnet har renats.

Destillation liknar mycket kokning, men det kräver lite mer utrustning och är i allmänhet mer effektivt för att avlägsna föroreningar. Du sätter vattnet och kokar upp ångan när den kondenserar. Detta lämnar efter sig de flesta föroreningar, även om det är värt att notera att alla föroreningar med kokpunkter under vatten (vid 100 grader Celsius / 212 grader Fahrenheit vid havsnivå) kommer fortfarande att finnas i kondensvattnet, eventuellt med högre koncentrationer än innan. Andra nackdelar är processens tidskrävande natur och det faktum att det i allmänhet kräver för mycket energi för att vara ekonomiskt livskraftigt i storskalig vattenbehandling.

Filtrering är ett annat begreppsmässigt enkelt tillvägagångssätt för vattenrening, men det är inte lika enkelt som du kanske tror. Grundkonceptet är att genom att tvinga vattnet genom små utrymmen lämnas föroreningar som inte passar igenom. Det är ganska ekonomiskt, eftersom mycket lite vatten slösas bort i processen och det använder inte mycket energi. Många olika filter finns tillgängliga, och föroreningarna som de kan ta bort beror på nätets storlek. De allra flesta filter kan inte ta bort vattenburna virus, och de flesta av dem är ganska skrymmande så det skulle vara svårt att bära med sig. Filtret i sig måste också vara rent, och som med många metoder kan vattnet lätt bli förorenat igen efter att processen har slutförts.

Kemiska behandlingar beror på kemiska reaktioner för att avlägsna föroreningar från vatten, och olika kemikalier är mer effektiva för olika föroreningar. Jod är en av de äldsta metoderna för kemisk vattenrening, och tabletter eller lösningar som innehåller den är i allmänhet effektiva för att neutralisera bakterier och virus som finns i vatten. Jod blir dock vattengult och lämnar en obehaglig smak och lukt. Dessutom fungerar det bara på vatten som redan är klart (så filtrering kan krävas först). Vattnet som ska behandlas kan inte heller vara kallt; till exempel måste vattnet vara vid 21 ° C för att giardia ska avlägsnas med jod.

Klor är den mest använda kemiska vattenbehandlingen i världen, och den finns i form av tabletter, vätskor och granulat. Trots att det är effektivt måste det hanteras försiktigt och det lämnar en obehaglig smak i resulterande vatten, ungefär som jod - men som du kan förvänta dig, smakar det lite som att dricka pool vatten. Alternativ som natriumdiklorisocyanurat (NaDCC) frigör fritt klor, men den kemiska blandningen är säkrare för hantera och lämnar inte smak i vattnet, så det här är de vanligaste valen för vattenrening tabletter.

Generellt sett består vattenreningssystem av flera komponenter för att säkerställa att det resulterande vattnet är säkert att dricka och rent i smak. Luftning är ofta det första steget, vilket gör att eventuella gaser som fångas i vattnet släpps ut, följt av koagulering, där smuts och annat fast material fastnar tillsammans för att göra dem lättare att ta bort, och sedimentering, där partiklarna gradvis sjunker och separeras från vattnet under påverkan av allvar. Efter detta filtreras vattnet för att separera de koagulerade (flock) materialen och slutligen säkerställer kemisk behandling säkerhet från mikroorganismer. Om du vill skapa en arbetsmodell för en vattenreningsanläggning bör dessa steg integreras i din process.

En av de bästa och enklaste vattenreningsprojektidéerna är att skapa ett sandbaserat filtreringssystem för vatten. Det här är enkelt att göra med föremål som du sannolikt har runt huset. Skaffa två tomma 2-liters läskflaskor - varav en skär i halva - ett kaffefilter eller filterpapper, lite fin sand och grov sand, lite småsten, ett par skedar, två koppar, en 1-liters bägare, ett gummiband och ett prov på smutsigt vatten (oavsett om de samlas eller tillverkas med smuts och vanligt kranvatten). Att få lite aluminiumkaliumsulfat (alun) är användbart eftersom det koagulerar sedimentet i provet. Om du har aktiverat kol kan detta ta bort ytterligare komponenter genom kemiska reaktioner.

Grundprincipen för ett sandvattenreningssystem är ett filtreringssystem: Genom att skicka vattnet genom vattnet fint material, föroreningar som finns i den kommer att fångas och hamnar inte i vattnet som kommer ut från andra sidan. I det här projektet använder du den övre halvan av en 2-liters läskflaska som ett filter. Lägg ett kaffefilter (eller filterpapper) över flaskans mynning och använd gummibandet för att hålla det på plats och vänd det upp och ner så att skärsektionen pekar uppåt. Om du har aktiverat kol, lägg till en tum av det i botten och lägg sedan till ett par tum grus eller små stenar. Lägg nu till lite grov sand ovanpå detta och lite fin sand ovanpå detta, skjut för totalt 3 till 4 tum sand. Placera denna - munänden nedåt - ovanpå bägaren som en tratt.

Lägg ditt smutsiga vatten i den outskurna läskflaskan, skruva på locket och skaka vätskan i en halv minut för att lufta den. Häll ut den i den nedre halvan av den avskurna flaskan och tillsätt en matsked alun om du har lite, rör om i fem minuter. Låt vattnet stå i cirka 20 minuter så att det koagulerade sedimentet sjunker. Medan du gör detta, kör försiktigt 2 liter rent kranvatten genom ditt filtersystem, var försiktig så att du inte stör sanden på toppen. Detta tar lite tid men förbereder ditt filter för att arbeta med det smutsiga vattnet. Töm bägaren när du behöver, och när du har gjort det och det smutsiga vattnet delvis har separerat kan du köra det genom filtret.

Jämför det filtrerade vattnet med ett prov av det ursprungliga dammvattnet. Hur väl har det renats?

• Det är viktigt att notera att utan kemisk vattenbehandling (även om du använde ett kolfilter) är det osannolikt att vattnet är helt säkert att dricka. Inspektera det bara visuellt - smaka inte på det!

Projektet i det sista avsnittet kan användas för ett vetenskapligt rättvist vattenreningsexperiment ganska enkelt. Du kan använda olika filtreringstekniker på prover av samma smutsiga vatten och jämföra resultaten. Du kan till exempel prova projektet med den metod som beskrivs ovan och jämföra detta med ett kommersiellt tillgängligt vattenfiltreringssystem, eller så kan du undersöka skillnadsspecifika komponenter i filtreringssystemet, till exempel att jämföra slutresultatet med och utan tillsats av alun. Kan du använda något som en svamp eller ris för ett filter istället för sand och grus, och kommer det också att fungera?

Den bästa idén för ett vattenreningsexperiment för gymnasiet, eller bara ett projekt, skulle vara att jämföra de olika metoderna för vattenrening. Du kan enkelt testa flera metoder, varvid kokning, filtrering och kemisk behandling är ganska lätt att testa. Du kan använda ett sandfiltreringssystem som det som beskrivs ovan eller ett kommersiellt tillgängligt system, och du kan hitta vattenreningstabletter för att testa också.

Ett enkelt tillvägagångssätt för ett projekt skulle vara att få ett prov på smutsigt vatten - att använda samma vatten för alla tester, för att minimera variabler - och att försöka rena det med varje metod. Testa effektiviteten hos de olika metoderna med hjälp av ett testkit för dricksvatten hemma om du vill vara så professionell som möjligt. Men du kan också visuellt inspektera vattnet för att få klarhet och testa för bakterier med en petriskål och ett tillväxtmedium som en bit kokt potatis. Lägg lite potatis i varje petriskål och tillsätt en droppe vatten från varje reningsmetod, tillsammans med ett ofiltrerat prov och ett rent kranvattenprov som du kan använda som kontroll. Märk varje maträtt därefter, täck dem och låt den stå i några dagar för att ge bakterierna chansen att växa.

Vilken metod var den mest effektiva? Kan du kombinera en eller flera metoder för att ge ett bättre resultat? Vilka är styrkorna med de olika metoderna?