Metody uzdatniania wody. kl.II TPS

Klasyfikacja metod uzdatniania wody

Jednym z głównych elementów środowiska, decydującym o istnieniu życia na Ziemi mającym wpływ na kształtowanie się klimatu i limitującym rozwój cywilizacyjny jest woda. Ogólna objętość wody na Ziemi wynosi około 2•10¹⁸ m³ z czego 75% stanowią morza i oceany a tylko 0,0025% to woda słodka. Krążenie wody w przyrodzie oraz fakt iż jest ona najlepszy rozpuszczalnikiem powoduje, że woda w przyrodzie nie występuje w postaci czystego związku chemicznego tlenu i wodoru. Stanowi ona zatem bardzo rozcieńczony roztwór soli, kwasów, zasad i gazów. Ilość i rodzaje substancji obecnych w wodach naturalnych mogą być różne i zależne od czynników naturalnych i zanieczyszczeń mechanicznych. Rozwój cywilizacji i postępujące zanieczyszczenie środowiska spowodowały potrzebę uzdatniania wody, jej dezynfekcji doprowadzając do konieczności uzupełnienia systemów wodociągowych w zakłady uzdatniania wody.

Zanieczyszczenia występujące w wodzie możemy podzielić na trzy zasadnicze grupy:

• Zanieczyszczenia fizyczne (mechaniczne) – substancje nierozpuszczalne o różnej wielkości i stopniu rozdrobnienia

• Zanieczyszczenia chemiczne – występowanie rozpuszczalnych związków chemicznych w ilościach większych niż dopuszczalne normy

• Zanieczyszczenia biologiczne – wynikające z obecności różnych bakterii, wirusów.[

Zanieczyszczenia ujmowanej wody usuwane są z niej metodami fizycznymi, chemicznymi oraz biologicznymi. Procesy te mogą być łączone w układy fizyczno -chemiczne, fizyczno – biologiczne czy biologiczno – chemiczne. Procesy oczyszczania w których zmiany składu wody wynikają z działania sił fizycznych, klasyfikowane są do grupy pierwszej. Typowe operacje jednostkowe to: cedzenie, fluktuacja, mieszanie, sedymentacja. Procesy oczyszczania, w których zanieczyszczenia na skutek dodania związków chemicznych ulegają transformacji do postaci łatwo wydzielanej z wody w procesach fizycznych, klasyfikowane są do metod chemicznych. Do tej grupy zaliczane są: koagulacja, chemiczne strącanie, utlenianie, dezynfekcja.

Tabela 1: Rodzaje zanieczyszczeń i technologiczne układy ich usuwania.

Rodzaj zanieczyszczenia	Procesy jednostkowe lub systemy oczyszczania
Organizmy patogenne	chlorowanie, ozonowanie, koagulacja - sedymentacja – filtracja – adsorpcja
Mętność i zawiesiny	cedzenie, sedymentacja, filtracja koagulacja – sedymentacja – filtracja
Barwa	adsorpcja, utlenianie, koagulacja – sedymentacja
Smak, zapach	Napowietrzanie, adsorpcja, chemiczne utlenianie
Substancje organiczne	adsorpcja, utlenianie koagulacja – sedymentacja – filtracja – adsorpcja
Twardość (jony Ca^2+, Mg^2+)	chemiczne strącanie, wymiana jonowa, odwrócona osmoza
Rozpuszczone gazy	napowietrzanie, chlorowanie
Metale ciężkie	wymiana jonowa, chemiczne strącanie
Związki żelaza i manganu	wymiana jonowa, utlenianie – sedymentacja – filtracja
Rozpuszczone substancje mineralne	odwrócona osmoza, destylacja, nanofiltracja

Fizyczne metody uzdatniania wody

Do fizycznych metod uzdatniania wody należą:

• Cedzenie

• Napowietrzanie i odpędzanie powietrzem

• Sedymentacja

• Filtracja

• Adsorpcja

• Procesy membranowe

• Mieszanie

Cedzenie

W procesie cedzenia następuje rozdział fazy stałej od fazy ciekłej przy zastosowaniu takich urządzeń jak kraty i sita a przy zakwitach glonów stosuje się również mikrosita. Cedzenie jest procesem, którego zadaniem jest ochrona pomp i innych urządzeń przed mechanicznymi uszkodzeniami. Kraty i sita lokalizuje się na ujęciu wody przed pompami.

Napowietrzanie i odpędzanie powietrzem

Celem napowietrzania jest przede wszystkim utlenienie silnie zredukowanych związków i doprowadzenie ich do postaci, którą można usunąć z wody. Wprowadzenie do wody rozpuszczonego tlenu stwarza odpowiednie warunki do hydrolizy i utleniania związków żelaza i manganu zapobiega powstawaniu środowiska redukującego pogarszającego smak i zapach. Tlen dostarczony z powietrzem wykorzystywany jest również przez mikroorganizmy heterotroficzne do rozkładu związków organicznych. Procesy utleniania żelaza i manganu zawartym w powietrzu tlenem zachodzą zgonie z poniższymi równaniami reakcji:

4Fe²⁺ + O₂ + 10H₂O → 4Fe(OH)₃ + 8H⁺

2Mn²⁺ + O₂ + 2H₂O → 2MnO₂ + 4H⁺

Odpędzanie powietrzem stosuje się do usuwania gazów takich jak CO₂ i H₂S oraz lotnych zanieczyszczeń organicznych pochodzenia antropogenicznego typu TCE i DBCP. W silnie skażonych wodach gruntowych obok odpędzania powietrzem stosuje się procesy filtracji i adsorpcji. Adsorpcja stosowana jest w celu usunięcia nielotnych zanieczyszczeń organicznych. Usuwanie obu gazów z wody polega na kontakcie wody z powietrzem, które uzyskuje się w urządzeniach otwartych bądź ciśnieniowych. Przy kontakcie wody z powietrzem atmosferycznym następuje wyrównanie ciśnienia cząsteczkowego gazów w wodzie z atmosferycznym w wyniku którego CO₂ i H₂S przechodzą z wody do powietrza atmosferycznego a tlen i azot z powietrza do wody.

Sedymentacja

Sedymentacja zapewnia usunięcie zawiesin obecnych zarówno w wodzie surowej (nie oczyszczonej) jak i w wodzie po koagulacji lub strąceniu chemicznym. Proces ten polega na rozdzieleniu ciał stałych o gęstości większej od gęstości cieczy pod wpływem działania sił ciężkości. Prędkość opadania cząstek zależy od różnicy pomiędzy gęstościami fazy stałej i cieczy oraz od ich wielkości i kształtu. W zależności od charakteru i ilości zawiesin wyróżnia się:

• opadanie cząstek ziarnistych

• opadanie cząstek kłaczkowatych

Ze względu na warunki hydrauliczne wyróżnić można:

• opadanie swobodne

• opadanie skupione

Swobodne opadanie zachodzi przy małej liczbie cząstek. Wówczas każda cząsteczka opada oddzielnie, nie oddziałując i nie zmieniając właściwości fizycznych cząsteczki sąsiadującej. Takie opadanie następuje w przypadku zawiesin ziarnistych. Przy dużym zagęszczeniu cząstek mamy do czynienia z opadaniem skupionym, podczas którego cząsteczki nawzajem oddziałują na siebie poprzez wzajemne zderzenia tworzą aglomeraty. Skutkiem aglomeracji cząstek zwiększenie prędkości opadania pojedynczych cząstek kłaczkowatych w stosunku do prędkości sedymentacji zbioru cząsteczek tzw. sedymentacji masowej , zachodzącej np. w warstwie osadu zawieszonego.[2]

Filtracja

Filtracja jest procesem zapewniającym usuwanie z oczyszczonej cieczy cząstek o średnicy > 0,1μm. Polega ona na oddzieleniu fazy stałej od fazy ciekłej podczas przepływu wody przez ośrodek porowaty. Filtracji poddawana jest woda surowa jak również wstępnie uzdatniona innych procesach technologicznych np. sedymentacji, koagulacji, czy napowietrzania itp. Podczas filtracji woda przepływa w określonym kierunku i z odpowiednią prędkością przez złoże filtracyjne, którym jest materiał porowaty. W materiale tym zachodzi oddzielenie cząstek zawieszonych o rozmiarach większych niż wielkości porów filtrów jak również cząstek znacznie mniejszych, ponieważ cząstki mogą być zatrzymywane na powierzchni złoża filtracyjnego jak i w wewnątrz złoża w porach między ziarnowych. Świadczy to o złożoności procesu filtracji, w którym należy uwzględnić również procesy fizykochemiczne i biologiczne zachodzące w porach materiału filtracyjnego

Rodzaje filtrów

Ze względu na warunki pracy oraz rodzaj złóż filtracyjnych klasyfikację można przeprowadzić na wiele sposobów w zależności od przyjętego kryterium podziału. Stosując jako kryterium podziału sposób wymuszenia przepływu wody przez złoże filtracyjne, filtry dzielimy na:

• filtry otwarte (grawitacyjne) – przepływ wymuszony słupem wody znajdującym się ponad złożem

• filtry zamknięte (ciśnieniowe) – przepływ uzyskany dzięki ciśnieniu wywołanemu przez pompy podające wodę na filtry

Ze względu na prędkość filtracji filtry można podzielić na :

• filtry powolne o prędkości filtracji rzędu 0,1 – 0,5 m/h

• filtry pośpieszne o prędkości filtracji rzędu 1 – 20m/h

Ze względu na liczbę warstw materiału filtracyjnego filtry dzielimy na:

• jednowarstwowe – wypełnione jednym rodzajem materiał filtracyjnego

• wielowarstwowe – złoże składa się z kilku warstw materiałów filtracyjnych o różnej gęstości i drobnym uziarnieniu tak by podczas płukania nastąpiło wymieszanie warstw

Ze względu na rodzaj procesu zachodzącego w złożu dzielimy na:

• do mechanicznego cedzenia zawiesin znajdujących się w wodzie

• kontaktowe do procesów koagulacji flokulacji zawiesin w złożu filtracyjnym i zatrzymania ich na powierzchni ziaren materiału filtracyjnego

• katalityczne do katalizowania procesów chemicznego usuwania zanieczyszczeń zawartych w wodzie poprzez złoże filtracyjne

• biologicznie aktywne – w filtrach na ziarnach złoża wytwarzana jest błona biologiczna, zawierająca mikroorganizmy wykorzystujące zanieczyszczenia w swych procesach żywieniowych do filtrów biologicznie aktywnych zaliczamy m.in. filtry suche

• sorpcyjne w których zachodzi proces adsorpcji zanieczyszczeń na powierzchni lub wewnątrz materiału filtracyjnego.

• chemicznie aktywne

• jonowymienne

Adsorpcja

Adsorpcja służy głownie do usuwania rozpuszczalnych związków organicznych, które nawet w śladowych ilościach mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzi. Adsorpcja jest stosowana ze względu na poziom zanieczyszczeń syntetycznych związków organicznych, które są w niewystarczającym stopniu usunięte w procesie koagulacji , sedymentacji i filtracji. Zastosowanie adsorpcji po procesie chemicznego utleniania lub dezynfekcji zapobiega powstawaniu zanieczyszczeń wtórnych. [8]

Adsorpcja polega na wiązaniu usuwanych zanieczyszczeń na adsorbentach. Procesy, które tam zachodzą mogą być odwracalne wówczas mamy adsorpcję fizyczną i nieodwracalne – adsorpcja chemiczna (chemisorpcja).[8]

Najczęściej usuwanymi zanieczyszczeniami podczas adsorpcji są:

• organiczne rozpuszczalniki

• fenole i chlorofenole

• chlorowane związki aromatyczne

• WWA ( wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne)

• pestycydy

• węglowodory o dużej masie cząsteczkowej.[8]

W procesie adsorpcji stosowanymi adsorbentów należą:

• ziarnisty węgiel aktywny

• pylisty węgiel aktywny (PWA)

• granulowany węgiel aktywny (Z/GWA)

Rys.: Schemat procesu adsorpcji na węglu aktywnym.

Koagulacja

Koagulacja jest procesem powszechnie stosowanym w oczyszczaniu wód powierzchniowych, polega na przeprowadzeniu materii zawieszonej i koloidalnej w większe aglomeraty dające się oddzielić na przykład w procesie filtracji, sedymentacji. Proces ten przebiega dwuetapowo:

• Etap I – przekształcenie stabilnego koloidu w niestabilny

• Etap II – tworzenie się rozbudowanych aglomeratów

Koloidy występujące w wodzie można także podzielić na dwie grupy: hydrofilowe i hydrofobowe. [ 1,2]

W systemach uzdatniania wody koagulacje stosuje się w celu obniżenia mętności, barwy, a także substancji organicznych częściowo rozpuszczonych w wodzie.

Mechanizm koagulacji polega na wprowadzeniu do wody substancji chemicznej koagulanta , który zawiera cząstki naładowane dodatnio w przeciwieństwie do cząstek zawieszonych naładowanych ujemnie. Koagulant jest szybko mieszany z wodą. W ten sposób następuje neutralizacja ładunków elektrycznych cząstek koloidalnych. W skutek czego cząsteczki przyciągają się tworzą aglomeraty.

Koagulację zoli można także spowodować poprzez dodania do wody elektrolitu, który zmniejsza potencjał elektrokinetyczny i ułatwia aglomerację koloidów obecnych w wodzie. Najczęściej stosowanymi koagulantami w uzdatnianiu wody są sole glinu i żelaza tworzące w wyniku hydrolizy dodatnio naładowane połączenia skutecznie destabilizujące zanieczyszczenia koloidalne obecne w oczyszczanej wodzie. Do związków tych należą:

• siarczan glinowy – Al₂(SO₄)₃ • 18H₂O

• siarczan glinowo – potasowy - Al₂(SO₄)₃ • K₂(SO₄) • 24H2O

• siarczan żelaza(III) – Fe₂(SO₄)₃ • 9H₂O

• siarczan żelaza(II) - FeSO₄ • 7H₂O

• spolimeryzowany chlorek glinu

• glinian sodowy – Na₂Al₂O₄

• chlorek żelaza(III) – FeCl₃ • 6H₂O

Wymiana jonowa

Proces wymiany jonowej ma szczególne znaczenie w uzdatnianiu wody do celów przemysłowych gdzie stosuje się go do zmiękczania i demineralizacji wody. Proces ten znalazł również zastosowanie przy uzdatnianiu wody do picia.[1]

Wymianę jonową można przedstawić następującymi równaniami równań

Kt-M1+M2+↔Kt-M2+M1+

At-A1+A2+↔At-A2+A1+

gdzie: Kt - szkielet polimerowy kationity ; M1+, M2+ - wymieniane kationy

At - szkielet polimerowy anionitu ; A1+, A2+ - wymieniane aniony

M₁, M₂ – centra aktywne kationitu zawierające wymieniany kation

A₁, A₂ – centra aktywne anionitu zawierające wymieniany anion [7]

Wymiana jonowa zasadniczo zachodzi między fazą ciekłą a fazą stałą przy czym faza ciekła w większości przypadków to roztwór wodny. Proces wymiany jonowej jest odwracalny a wymiana zachodzi w równowagowych ilościach, w procesie tym może zachodzić również wychwytywanie cząstek substancji rozpuszczonej mających ładunek elektryczny, nie tylko jonów. Tak więc obok czystej wymiany jonowej zachodzą zjawiska sorpcji, głownie adsorpcji cząstek, np. zawiesiny koloidalnej[1]

Wymieniacze jonowe to substancje nierozpuszczalne w wodzie , które wymieniają z roztworem elektrolitu dodatnio lub ujemnie naładowany jon. Ze wzglądu na rodzaj wymienianych jonów jonity dzielimy na dwie grupy:

• kationity (Kt) – wymieniające kation zwierające grupy funkcyjne –SO₃H(słabe), - COOH(mocne)

• anionity (An) – wymieniające anion zwierające grupy funkcyjne – NH₂(słabe), NHR i NR₂ – (średnie) – [NR₃]⁺- (mocne)

Procesy membranowe

Procesy membranowe pozwalają na separacje zanieczyszczeń na poziomie jonowym lub molekularnym. Głównie stosowane są do odsalania oraz w technologiach do otrzymywania wody superczystej. W Polsce w zakładach uzdatniania wody do celów wodociągowych są stosowane rzadko. Do procesów membranowych zaliczamy:

• odwróconą osmozę (OO)

• elektrodializę (ED)

• odwróconą elektrodializę (OED)

• ultrafiltrację (UF)

• nanofiltrację (NF)

Nanofiltracja i ultrafiltracja wykorzystywane są do usuwania związków barwnych, prekursorów trihalometanów (THM) i niektórych zanieczyszczeń nieorganicznych oraz wirusów i bakterii. W zależności od zastosowanego rodzaju membrany miożna także usunąć różne domieszki i zanieczyszczenia. Zastosowanie procesów membranowych wymaga wstępnego oczyszczania wody zawartych w niej zawiesin, koloidów oraz rozpuszczalnych domieszek, które wyniku zagęszczania mogą powodować zatykanie porów membran.

Mieszanie

Mieszanie jest najczęściej stosowaną operacją technologiczną, konieczną do zhomogenizowania układu, utrzymania jednakowej temperatury, likwidacji termicznej stratyfikacji. Mieszanie jest powszechnie stosowane przy dodawaniu so wody – koagulantów i w procesie dezynfekcji- dezynfektantów.

Z uwagi iż proces naturalnego mieszania dawkowanych składników do wody jest bardzo wolny. Dlatego też celu przyspieszenia procesu wprowadzana jest do układu energia mechaniczna z reguły poprzez zastosowanie elementów wirujących.

Podstawowymi rodzajami mieszaczy są mieszacze:

• mechaniczne (śmigłowe, ramowe, turbinowe, płytowe, śrubowe, kotwicowe)

• hydrauliczne

• pneumatyczne

Podpis: Źródła:

1.________________ 1. www.wikipedia.pl

2, www.ściąga.pl