Materiały służące uzdatnianiu wód.

1. Materiały służące uzdatnianiu wód. Wykonanie: Justyna Sikora

2. Plan prezentacji • Definicje uzdatniania i oczyszczania. • Podział zanieczyszczeń występujących w środowisku wodnym. • Wskaźniki jakości wód. • Podział metod uzdatniania wód. • Charakterystyka metod uzdatniania wód. • Podsumowanie. • Literatura.

3. Uzdatnianie a oczyszczanie... • Uzdatnianie to przywracanie wodzie walorów pozwalających na jej spożycie, bądź użytkowanie. Podstawowym celem uzdatniania wód jest usunięcie z niej organizmów chorobotwórczych oraz nadanie wodzie odpowiednich walorów smakowych. • Oczyszczanie to przywracanie wodzie (ściekom, wodom opadowym) takiej jakości, aby mogła być zwrócona środowisku bez pogorszenia jakości tego środowiska.

4. Zanieczyszczenia, które występują w środowisku wodnym dzielimy na trzy grupy: • Zanieczyszczenia mechaniczne- są to substancje różnej wielkości i różnym stopniu rozdrobnienia, nierozpuszczalne; • Zanieczyszczenia chemiczne- występują w postaci rozpuszczonej w ilości większej, niż pozwalają na to normy; • Zanieczyszczenia typu bakteriologicznego- są to bakterie, wirusy czy pierwotniaki zagrażające zdrowiu.

5. Wskaźniki jakości wód Wskaźniki jakości wody służą do określania przydatności wody do określonych celów. O możliwości użycia wody do zaspokojenia różnorodnych potrzeb decydują rodzaj i ilość zawartych w niej substancji. Podstawowymi grupami wskaźników, stanowiącymi o przydatności wody są: • wskaźniki fizyczne - temperatura, barwa, zapach, mętność, smak; • wskaźniki chemiczne - odczyn pH, utlenialność, BZT5 - biochemiczne 5-cio dobowe zużycie tlenu, ChZT - chemiczne zużycie tlenu, twardość (ogólna, węglanowa, niewęglanowa, przemijająca), zasadowość oraz zawartości: związków azotu, chlorków, siarczanów, żelaza, manganu, fluoru, gazów rozpuszczonych w wodzie, pierwiastków śladowych, substancji trujących oraz sucha pozostałość i strata po prażeniu, • wskaźniki biologiczne - zawartość bakterii w objętości próbki wody.

6. Zabiegi uzdatniania wód Mechaniczne Fizykochemiczne Dezynfekcja Sedymentacja Cedzenie Koagulacja Odmanganienie Filtracja Odżelazienie

7. Cedzenie i sedymentacja • Cedzenie czyli oddzielenie od wody ciał stałych o znacznych rozmiarach (kraty, sita). Podczas cedzenia z wody usuwane są zanieczyszczenia o rozmiarach powyżej 0,2mm. • Sedymentacja czyli oddzielenie od wody zawiesin, przy wykorzystaniu różnic gęstości ( piaskowniki, osadniki). W praktyce sedymentacji ulegają cząstki o rozmiarach od 10-1 do 10-4 mm. Cząstki mniejsze, tworzące zmętnienie wody, aby sedymentować, muszą najpierw ulec koagulacji i flokulacji.

8. koagulacja Koagulacja przebiega w ten sposób, iż do wody zawierającej ujemnie naładowane cząstki koloidalne dodaje się substancję chemiczną zwaną koagulantem, która zawiera koloidy o dodatnim ładunku elektrycznym. Koagulant jest szybko mieszany z wodą. W ten sposób następuje neutralizacja ładunków elektrycznych cząstek koloidalnych, przez co zlikwidowane zostaje zjawisko wzajemnego ich odpychania się. Najczęściej stosowanymi koagulantami są siarczan glinu (Al2(SO4)3) i siarczan żelaza (Fe2(SO4)3).

9. flokulacja Flokulacja to proces, który zachodzi po szybkim wymieszaniu koagulanta z wodą, w trakcie mieszania powolnego. Dochodzi wtedy do fizycznego kontaktu obu zawiesin, w wyniku czego tworzą się w wodzie kłaczki (flocks) połączonych cząstek koloidalnych (zbyt szybkie mieszanie mogłoby doprowadzić do rozbijania tworzących się kłaczków). Sedymentują one następnie na dnie mieszalnika.

10. Filtracja Pierwszym etapem uzdatniania, a raczej przygotowania wody do właściwego procesu uzdatniania jest jej filtracja wstępna, określana często jako filtracja mechaniczna, przy wykorzystaniu filtrów mechanicznych. Filtracja mechaniczna ma na celu usunięcie z wody wszelkich zawiesin i ciał stałych; tym samym zabezpiecza dalszą część instalacji oraz pozostałe urządzenia uzdatniające wodę przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz zamuleniem. Osiągana dokładność filtracji wynosi do ok. 0,1 µm. Chcąc wodę odfiltrować dokładniej, niezbędne jest zastosowanie technik membranowych.

11. Filtracja • W przypadku konieczności odfiltrowania dużych ilości wody, stosuje się filtry grawitacyjne. • Filtry grawitacyjne to komory w kształcie basenu zasypane materiałem filtracyjnym. Na dnie filtrów znajduje się system drenażowy (dysze filtracyjne).

12. Filtracja mechaniczna Filtrację mechaniczną, w zależności od stopnia dokładności, dzielimy na: • filtrację cząstkową, • mikrofiltrację, • ultrafiltrację, techniki • nanofiltrację, membranowe • hiperfiltrację (filtracja wody metodą odwróconej osmozy). Technologia membran stała się docenianą technologią separacji w ostatniej dekadzie. Główną zaletą w technologii membran jest fakt, że działa ona bez dodatków związków chemicznych, z relatywnie niskim zużyciem energii oraz łatwym i dobrze zorganizowanym procesem przewodzenia.

13. filtracja • Zasada działania jest całkiem prosta: membrana odgrywa role bardzo specyficznego filtra, który pozwala na przepływanie przez niego wody, podczas gdy substancja zawieszona i inne substancje zostają zatrzymana na membranie. • Istnieją rożne metody aby umożliwić substancji penetracje membrany. Są to, np. zastosowanie wysokiego ciśnienia, utrzymywanie różnicy stężeń po obu stronach membrany oraz aplikowanie potencjału elektrycznego.

14. Filtracja • Systemy membran są budowane gęsto, aby umożliwić usytuowanie dużej powierzchni membran w możliwie jak najmniejszej objętości. • Istnieją dwa główne typy: • Systemy membran cylindrycznych (tubular-shaped membranes). Systemy membran cylindryczne są podzielone na systemy o włóknach cylindrycznych, kapilarnych i "wydrążonych". • Systemy membran typu "plate & frame" (systemy membran typu "płyta i rama"). Systemy typu "płyta i rama" są podzielone na systemy spiralne oraz membrany w kształcie poduszek.

15. Filtracja mechaniczna • Filtracja cząstkowa - polega na usuwaniu zanieczyszczeń za pomocą filtrów ze złożem filtracyjnym lub wkładów wymiennych. Dolna granica filtracji wynosi 1 μm (resztki roślin, glony, pierwotniaki). • Mikrofiltracja -zakres filtracji wynosi od 0,05 do 1 μm (mikroorganizmy, duże koloidy). • Nanofiltracja - jak wyżej, ale zakres filtracji wynosi od 0,001 do 0,01 μm(wirusy, związki organiczne, jony wielowartociowe) • Hiperfiltracja - jest to filtracja wody metodą odwróconej osmozy ,zakres wynosi 0,0001 do 0.003 μm (aniony i kationy jednowartościowe).

16. Ultrafiltracja Ultrafiltracja jest techniką nową w stosunku do pozostałych technik membranowych. W tym przypadku filtracja odbywa się na membranach, które są zbudowane z szeregu kapilarnych włókien (standardowa długość 1,5 m, średnica kapilary 0,8 mm). Dokładność filtracji dla membran ultrafiltracyjnych wynosi 0,05 µm.

17. Ultrafiltracja • Średnica porów membran ultrafiltracyjnych gwarantuje usuwanie z wody wszelkich koloidów i w 100% wirusów, bakterii i organicznych związków wielkocząsteczkowych. • Woda po ultrafiltracji jest praktycznie zdezynfekowana. Dla bezpieczeństwa sanitarnego wody uzdatnionej w ten sposób można poddać dodatkowo dezynfekcji promieniami UV. Przy zastosowaniu tradycyjnych metod dezynfekcji pozostają w wodzie produkty rozkładu drobnoustrojów a także substancje psujące smak wody. • Redukcja zawartości żelaza i manganu wymaga (tak jak w metodach klasycznych) wstępnego natlenienia wody. • Metodą ultrafiltracji można produkować wodę pitną z mocno zanieczyszczonych wód powierzchniowych, a nawet ze ścieków.

18. Poniżej przedstawiono możliwości filtracyjne poszczególnych metod membranowych:

19. Filtracja przez złoże piaskowe • Złoże filtracyjne to ośrodek, który tworzy drobnoziarnisty piasek (0,45- 0,55 mm) i podścielony żwirem (5- 60 mm), pełniącym funkcję złoża podtrzymującego. Umieszczony jest on w specjalnym basenie. • Filtry powolne- praca tych filtrów polega zarówno na działaniu mechanicznym, jak i adsorpcyjnym i biochemicznym • Filtry pospieszne- praca ich polega wyłącznie na filtracji mechanicznej i absorpcji.

20. Filtracja przez złoże węglowe Węgiel aktywny to efektywny ośrodek filtracyjny i sorpcyjny. Jest to specjalnie spreparowana substancja (węgiel drzewny, antracyt, półkoks, węgiel brunatny lub kamienny), który odznacza się bardzo dużą porowatością. Ścianki rozległej sieci przestworów tworzą bardzo dużą powierzchnię czynną: od kilkuset do 2000m2 na każdy gram węgla aktywnego. Ta wielka powierzchnia sprzyja sorpcji znajdujących się w wodzie substancji organicznych. W systemach filtracyjnych węgiel aktywny stanowi zwykle jedną ze składowych. Odznacza się on dużą skutecznością, jest jednak bardzo drogi. Dlatego też, tak jak złoże piaskowe musi być okresowo przemywane, tak węgiel aktywny musi być poddawany reaktywacji przez wyprażanie nagromadzonych w nim substancji organicznych.

21. Elektrodejonizacja Elektrodejonizacja- proces wykorzystujący tradycyjne żywice jonitowe, lecz ich regeneracja następuje przy użyciu prądu elektrycznego. Proces jest ekonomiczny, stabilny i niezawodny.

22. Odżelazianie i odmanganianie Technologia usuwania żelaza z wody uzależniona jest od postaci w jakiej ono występuje i może to być:    -  koagulacja - żelazo koloidowe,    -  dekarbonizacja wapnem - żelazo głównie w postaci siarczanu,    -  wymiana jonowa - mała zawartość żelaza w postaci jonowej,    -  aeracja - duża zawartość żelaza jonowego. Typowy układ odżelazienia składa się z aeratora i zwykłego filtra ciśnieniowego. Zadaniem aeratora jest utlenienie żelaza Fe+2 do Fe+3.Związki żelaza na trzecim stopniu utleniania są słabo rozpuszczalne w wodzie i dają się łatwo usunąć na typowym filtrze ciśnieniowym. W efekcie woda po odżelazianiu posiada zawartość Fe < 0,1 mg/dm3.

23. Odżelazianie i odmanganianie Odmanganianie jest identyczne z procesem odżelazienia i często obydwa procesy prowadzone są w jednym urządzeniu.Jeżeli pH wody jest równe 10, to zarówno odżelazienie, jak i odmanganianie można przeprowadzić w jednostopniowej instalacji filtracji i areacji.Proces utleniania manganu jest znacznie wolniejszym procesem niż utlenianie żelaza, dlatego bardzo często obserwuje się w przypadku stosowania instalacji jednostopniowych, redukcję żelaza do poziomu < 0,2 mg/dm3 przy nieznacznej lub nieznacznie zmienionej zawartości manganu.

24. Rys. Kolumna do oczyszczania wody metodą strippingu(odpędzania).

25. Demineralizacja wody Proces demineralizacji polega na usunięciu wszystkich kationów i anionów soli rozpuszczonych w wodzie – można tego dokonać za pomocą: destylacji, wymiany jonowej lub odwróconej osmozy. Najbardziej rozpowszechnionym i znanym sposobem demineralizacji wody jest metoda odwróconej osmozy. Polega ona na podaniu pod wysokim ciśnieniem wody wstępnie uzdatnionej na półprzepuszczalną membranę, której zadaniem jest oddzielenie roztworów o różnych stężeniach. Cząsteczki czystej wody pod wpływem wysokiego ciśnienia przechodzą przez membranę, która tym samym zatrzymuje wszelkie zanieczyszczenia po stronie wody surowej. Zanieczyszczenia te ulegają koncentracji i są usuwane.

26. Rys. Mechanizm odwróconej osmozy.

27. W odwróconej osmozie stosuje się spiralne membrany. Można je sobie wyobrazić jako kopertę nawinięta na perforowaną rurę służącą do zbierania parmeatu, który przeszedł przez membranę. W praktyce koperta ta jest zwinięta i zamontowana w zbiorniku ciśnieniowym w kształcie rury.

28. Demineralizacja wody Jonitowa demineralizacja wody polega na przepuszczeniu wody przez kolumnę filtracyjną wypełnioną masą jonitową silnie kwaśną, a następnie kolumnę wypełnioną masą jonitową silnie zasadową.Masa kationitowa usuwa z wody wszystkie kationy, zastępując je kationem wodorowym: Ca2+ + 2R - H→ Ca(R)2 + 2H+Mg2+ + 2R - H→ Mg(R)2 + 2H+Na+ + R - H→ NaR + H+K+ + R - H→ KR + H+

29. Demineralizacja wody Następnie woda przechodząc przez masę anionitową, wymienia zawarte w wodzie aniony na jon wodorotlenowy: HCO3- + R - OH→ R-HCO3 + OH-SO4-- + 2R - OH→ R2SO4 + 2OH-Cl- + R - OH→ RCl + OH-NO3- + R - OH→ RNO3 + OH- Kationy i aniony osadzają się na masach jonitowych, a wydzielające się jony wodorowe i wodorotlenowe tworzą cząsteczkę wody H+ + OH- H2O, dając w efekcie wodę demineralizowaną.Po wyczerpaniu zdolności wymiennej żywic jonitowych, poddaje się je procesowi regeneracji. Żywice kationitowe regeneruje się kwasem takim jak HCl lub H2SO4, a żywice anionitowe przy pomocy ługu sodowego NaOH.

30. Dezynfekcja Dezynfekcja to proces likwidacji organizmów chorobotwórczych (patogenów). Stanowi ostatni etap procesu uzdatniania wody. • Chlorowanie • Ozonowanie • Naświetlanie promieniami ultrafioletowymi

31. KATALITYCZNE USUWANIE TLENU Odtlenianie katalityczne polega na usuwaniu z wody tlenu poprzez jego reakcję z wodorem: 2H2 + O2 = 2H2O Wodór rozpuszczony w wodzie adsorbowany jest na palladowej masie katalitycznej, przez co łatwo wchodzi w reakcję z tlenem zawartym w wodzie.

32. Podsumowanie • Uzdatnianie to przywracanie wodzie walorów pozwalających na jej spożycie, bądź użytkowanie. Podstawowym celem uzdatniania wód jest usunięcie z niej organizmów chorobotwórczych oraz nadanie wodzie odpowiednich walorów smakowych. • Budowa ujęć wody i konstrukcja publicznych systemów wodociągowych wymaga bardzo uważnego wyboru źródła zaopatrzenia w wodę, ustalenia zakresu oraz sposobu jej uzdatniania, i wreszcie- zabezpieczenia wody już uzdatnionej przed ponownym zanieczyszczeniem. • Podstawowymi procesami wchodzącymi w skład uzdatniania wody są: filtracja, sedymentacja zawiesin oraz dezynfekcja.

33. Literatura • Chełmicki W. Woda, zasoby, degradacja, ochrona, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001. • Kowal A.L. Odnowa wody. Podstawy teoretyczne procesów, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1996. • http://www.uzdatnianiewody.com