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.[1] Rozwój cywilizacji i postępujące zanieczyszczenie środowiska spowodowały potrzebę uzdatniania wody, jej dezynfekcji doprowadzając do konieczności uzupełnienia systemów wodociągowych w zakłady uzdatniania wody.[2] 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.[1]

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. Metody w których zmiana struktury zanieczyszczeń dobywa się na drodze biochemicznego utleniania, zaliczane są do metod biologicznych. W uzdatnianiu wody procesy biologiczne są na ogół procesami towarzyszącymi procesom takim jak: infiltracja, filtracja powolna, adsorpcja na węglu aktywnym.

Tabela1 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

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.[8,3]

Zastosowanie procesów membranowych wymaga wstępnego oczyszczania wody zawartych w niej zawiesin, koloidów oraz rozpuszczalnych domieszek, które wyniku zagęszczania mogą powodować zatykanie porów membran. [3]

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.[2]

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. [2]

Podstawowymi rodzajami mieszaczy są mieszacze:

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

• hydrauliczne

• pneumatyczne

Biochemiczne metody uzdatniania wody

W technologii uzdatniania wody wykorzystywane są najczęściej następujące procesy biochemiczne:

• nitryfikacja

• denitryfikacja

• utlenianie Fe²⁺ i Mn²⁺ [1]

Nitryfikacja

Nitryfikacja jest procesem utleniania jonu amonowego do azotanowego (V) lub (III) na drodze biochemicznej. Proces ten jest dwuetapowy, realizowany przez dwa różne, ale wspólnie działające gatunki bakterii samożywnych. W pierwszym etapie jonyNH4+jako donory elektronów utleniane są do jonów NO2-przez bakterie Nitrosomonas

w drugim etapie bakterie Nitrobacter wykorzystują jony NO2- jako donora elektronów, utleniając je do jonów NO3-. W obu przypadkach końcowym akceptorem elektronów jest tlen. Przebieg procesu nitryfikacji obrazują w uproszczeniu poniższe reakcje w których C₅H₇O₂N to główny budulec żywych komórek.

I etap (Nitrosomonas)

15CO2+13NH4+ →10NO2-+ 3C5H7 O2N+23H++4H2O+270kJ∙mol-1

II etap (Nitrobacter)

5CO2+NH4++10NO2-+2H2O→10NO3-+C5H7O2N+80kJ∙mol-1

Przebieg procesu zależy od wielu parametrów:

• temperatury

• tlenu rozpuszczonego

• pH

• stężenia substratów i produktów reakcji

• koncentracji organizmów nitryfikujących

• zawartości materii organicznej

• dostępności światła [1]

Denitryfikacja

Denitryfikacja proces biochemiczny, w którym jony NO3- lub NO2- są akceptorami elektronów, a ich donorami mogą być:

• substancje organiczne

• zredukowane związki siarki

• gazowy wodór

Obecność tlenu inhibituje denitryfikację ponieważ tlen jest naturalnym konkurentem azotanów jako akceptora elektronów. W celu zlikwidowania inhibitującego działania tlenu rozpuszczonego, należy jego stężenie w uzdatnianej wodzie obniżyć do poziomu 0,1 – 0,2 mgO₂/l

Chemiczne metody uzdatniania wody

Do chemicznych metod uzdatniania wody należą:

• utlenianie

• koagulacja

• chemiczne strącanie

• wymiana jonowa

• dezynfekcja

• Procesy chemiczne oczyszczania wody są integralnie związane z procesami fizycznymi: utlenianie i dezynfekcja z mieszaniem, czy np. chemiczne strącanie z sedymentacją. [2]

Utlenianie

Chemiczne utlenianie pełni kilka istotnych funkcji w uzdatnianiu wody i może być stosowane w wielu miejscach ciągu technologicznego, i w różnych celach. Najczęściej stosuje się je w celu:

• utleniania jonów Mn(II), Fe(II), siarczków i siarkowodoru

• utleniania zanieczyszczeń organicznych pochodzących z przemysłu

• wspomagania koagulacji

• dezynfekcji wody

• niszczenie fito- i zooplanktonu[3,2,1]

Do najczęściej stosowanych utleniaczy należą: tlen atmosferyczny(O₂), chlor(Cl₂), ozon(O₃), dwutlenek chloru(ClO₂), manganian potasu(VII)(KMnO₄) i nadtlenek wodoru(H₂O₂).[4]

Proces utleniania jest integralnie związany z procesem redukcji. Zdolność utleniającą substancji znajdujących się w wodzie lub też do niej dodawanych jest potencjał oksydacyjno – redukcyjny. Wartość potencjału zależy od stosowanej substancji, pH przy którym przebiega reakcja redoks [2,3]

Reakcje utleniania mogą być wspomagane promieniami UV. Potencjał redoks silnych utleniaczy może osiągać bardzo wysokie wartości (+800mV) stąd proces ten wykorzystywany jest także do dezynfekcji. W tabeli 1 przedstawiłam, niektóre metody utleniania i ich zastosowanie. [4]

Tabela Metody utleniania i ich zastosowanie [4]

Źródło wody	Kryterium poprawy jakości	[gm^-3] Wzgl. [mV]	Wybór metody	Dawkowanie [gm^-3]
WODA GRUNTOWA	zawartość tlenu	< 3	napowietrzanie	10
	potencjał redoks	< +200	napowietrzanie	10
	zawartość tlenu	< 1	napowietrzanie lub wprowadzenie tlenu filtracja	30 10
	potencjał redoks	< + 100	dwutlenek chloru, ozonowanie	0,1 1
	jony żelaza	> 0,.005 > 0,5	napowietrzanie napowietrzanie + filtracja wprowadzenie tlenu	10 10 30
	jony amonowe i azotanowe	> 0,5	napowietrzanie wielokrotne sucha filtracja	30 30
	jony manganu	> 0,02	nadmanganian potasu	1
WODA POWIERZCHNIOWA	zawartość tlenu	< 3	wprowadzenie tlenu	10
	potencjał redoks	< + 200	dwutlenek chloru ozonowanie	0,2 3
	organiczne elementy śladowe utlenialności	> 0,5	tlenek chloru ozonowanie Ozonowanie i filtracja	0,2 1 3

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. [1,5]

Koagulację zoli można także spowodować poprzez dodania do wody elektrolitu, który zmniejsza potencjał elektrokinetyczny i ułatwia aglomerację koloidów obecnych w wodzie. [5,3]

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

O wyborze danej substancji decyduje przede wszystkim jej przydatność do tworzenia się nietrwałych koloidów oraz pewność tworzenia się trwałych , trudno rozpuszczalnych i podatnych na usuwanie z wody kłaczków.[3]

Skuteczność koagulacji można zwiększyć dodają do wody obok koagulantów także pylisty węgiel aktywny. Do substancji, które mogą wspomagać proces koagulacji zalicza się również:

• wapno - dla korekty pH, wiązania CO₂ agresywnego i przyspieszenia hydrolizy kagulanta

• silne utleniacze np. Cl₂, O₃, KMnO₄, H₂O₂ – przyspieszające koagulację przez utlenianie organicznej warstwy koloidów ochronnych

• gliny, bentonity, ziemia okrzemkowa – przyspieszające flokulację oraz zwiększając gęstość powstających flokuł

• krzemionka aktywowana – przyspiesza koagulację domieszek wody siarczanem glinowym w niskich temperaturach

• polielektrolity anionowe – przyspieszają koagulację w niskich temperaturach oraz przy występowaniu polifosforanów. [6]

O przebiegu i efektywności koagulacji decyduje przede wszystkim jednak skład fizyko – chemiczny oczyszczanej wody, istotnymi czynnikami są również temperatura, wartość pH, zasadowość, skład jonowy i zasolenie wody, rodzaj usuwanych zanieczyszczeń oraz wartość potencjału elektrokinetycznego cząstek koloidalnych.[3]

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)

kationity mają charakter kwasów lub ich soli, anionity natomiast mają charakter zasad i ich soli.[3]

Rys.Wzór kationitu otrzymanego przez sulfonowanie kopolimeru polistyren – diwinylobenzen