19. Układy technologiczne uzdatniania wód podziemnych
–kryteria wyboru

Informacje wstępne

Projektowanie układu technologicznego dla stacji uzdatniania wody może nastręczać pewnych problemów ze względu na właściwości surowca podstawowego, jakim jest woda naturalna, ich zmienność w czasie, a także przeznaczenia wody już uzdatnionej. Nie można ustalić jednego, idealnego wzorca , który odpowiadałby za uzdatnienie każdej jednostki wody występującej w środowisku niezależnie od czasu i miejsca jej pobrania. Przy dokładnym projektowaniu technologicznym należy zatem brać pod uwagę takie cechy jak:

1. Charakterystyka projektowanego wodociągu

Najważniejsza jest tutaj planowana wielkość produkcji wody. Składają się na nią średnie i maksymalne wartości dobowego i godzinowego przepływu przepływu oraz dane o dobowej i godzinowej nierównomierności rozbioru.

1. Przeznaczenie wody uzdatnionej

Przeznaczenie przekłada się bezpośrednio na wymagania jakościowe, jakie są stawiane uzdatnionej wodzie. Najczęściej są one jednolite dla całej ilości uzdatnionej wody ( woda dla miasta lub osiedla). Zdarzają się też przypadki, w których to użytkownik precyzuje, jakość odbieranego medium (wymagania zróżnicowane - np. dla zakładu przemysłowego).

Woda do picia i zastosowań gospodarczych powinna być przede wszystkim nieszkodliwa dla zdrowia człowieka i zwierząt oraz czysta i smaczna. Nie powinna zatem zawierać dużej ilości bakterii (miano coli, indeks coli = 0) zawiesin, soli manganu (poniżej 0,1 mg/dm³) i żelaza (poniżej 0,3 mg/dm³). Powinna natomiast zawierać w niewielkich stężeniach sole wapnia i magnezu - do (7 mval/dm³) oraz rozpuszczony CO₂. Pożądana jest zawartość mikroelementów.

1. Rodzaj ujęcie i ujmowanej wody

Informacja, czy woda pobierana jest z ujęcia powierzchniowego, czy podziemnego ma decydujący wpływ na wybór systemu technologicznego. Wynika to z różnic pomiędzy wodą powierzchniową (rzeki, jeziora, zbiorniki), a tą zalegającą pod warstwą nieprzepuszczaną gruntu.

Wody powierzchniowe bywają zanieczyszczone wskutek działalności człowieka (przemysłowej, komunalnej, rolniczej). W zależności od pory roku ich skład zmienia się znacznie mając największe stężenia soli mineralnych oraz innych zanieczyszczeń w okresach mroźnej zimy i suchego lata, substancji organicznych i amoniaku w okresach zakwitu glonów, jednocześnie wykazując najmniejsze zasolenia w okresach wiosennych roztopów i wysokich wód powodziowych w czerwcu - lipcu.

Wody podziemne charakteryzują się na ogół lepszą jakością - mniejszą zawartością zawiesin, niewielkimi zanieczyszczeniami bakteriologicznymi, stałością temperatury, a ich ujęcia większą stałością wydajności. Przez długotrwały kontakt ze skałami górotworu są przeważnie bardziej zmineralizowane niż wody powierzchniowe. Ich ograniczone zasoby zmuszają jednak do oszczędnego nimi gospodarowania i przeznaczania wody wyłącznie na cele konsumpcyjne, szczególnie w miejscowościach, w których występują wody powierzchniowe niskiej jakości (pozaklasowe).

cechy chaakterystyczne wód podziemnych

lp	parametr	Jednostka	Wody powierzchniowe	Wody podziemne
1	Temperatura	stopnie Celsjusza	zmienna od 0 do 25 w ciągu roku	Stała w roku 4-6
2	Barwa	mg Pt/l	20-200	<5
3	Mętność	mg SiO2/l	do 50	<1
4	pH		6,5-8,5	od 6 do 8
5	Tlen rozpuszczony	mg O2/l	<5	nie występuje
6	Żelazo	Mg Fe/l	śladowy	<50
7	Mangan	mg Mn/l	<0,3	<2
8	Dwutlenek węgla	mg CO2/l	śladowy	>100

Wody podziemne teoretycznie powinny wykazywać mniejszą trudność
w uzdatnianiu ze względu na niskie stężenia zanieczyszczeń. Zawierają one małą ilość związków organicznych (utlenialność: 1-4mm /l O₂), mają małe zabarwienie, znikomą mętność (~ 0), a ich pH waha się w granicach 6,2-7,3. Bardzo ważną własnością wód podziemnych jest to, że nie zawierają rozpuszczonego tlenu (!).

Wadą wód głębinowych jest dużo większa ilość rozpuszczonych soli
(w porównaniu z wodą powierzchniową), co wynika z obmywania podziemnych warstw skalnych. Głównymi pierwiastkami są w tym przypadku: żelazo i mangan. Ponadto w wodach głębinowych mogą pojawiać się związki takie jak: agresywne CO₂ oraz siarkowodór (nie zawsze występuje). Wszystkie wymienione substancje determinują dobór układu technologicznego uzdatniania wody.

Tak wiec uzdatnianie wód głębinowych polega zazwyczaj składa się z trzech podstawowych części:

• Odkwaszanie, czyli usuwanie CO₂

• Odżelazianie

• Odmanganianie

DWUTLENEK WĘGLA

Odkwaszanie jest pierwszym procesem w układzie technologicznym. Polega ono na przejściu CO₂ z wody do powietrza, co można uzyskać w reaktorach otwartych lub ciśnieniowych. Wymagana intensywność odkwaszania zależy od zasadowości wody. W wodach o wysokim pH dużą część rozpuszczonego węgla stanowią przynależne CO₂, które nie nadają jej agresywnego charakteru. I tak: gdy zasadowość przekracza wartość 5 val/m³ wymaga się odkwaszania ciśnieniowego. Gdy wartość jest mniejsza, stosuje się napowietrzanie kaskadowe, dysze zderzeniowe itd.

W przypadku, gdy w wodzie podziemnej znikome są ilości dwutlenku węgla często zamiast fizycznego odkwaszania stosuje się środki chemiczne takie jak: NaOH lub Na₂CO₃. Przy uzdatnianiu wód podziemnych dawkuje się je po napowietrzaniu a przed filtracją.

1. Żelazo

   1. Skutki występowania żelaza

Jest to najczęstszy pierwiastek występujący w wodach podziemnych. Wody powierzchniowe z reguły nie zawierają żelaza, bądź znajduje się ono w małych ilościach. W przekroczonych stężeniach ma bardzo duże znaczenie techniczne i organoleptyczne.

Duża ilość żelaza w wodzie do picia nadaje jej specyficzny zapach, posmak. Żelazo strasznie brudzi armaturę (wanny, umywalki itp.), pranie. Osadza się w rurach zmniejsza ich światło, powodując duże straty energii pomp, tłoczących wodę przez tak zażelazione rury.

1. Forma występowania

Żelazo występuje w wodzie w postaci jonów Fe²⁺ głównie w związkach:

• FeSO₄

• FeCl₂

• Fe(HCO₃)₂

  1. Zasada odżelaziania. Procesy jednostkowe.

Odżelazianie polega na utlenieniu żelaza(II) do żelaza(III) i powstaniu trudno rozpuszczalnego wodorotlenku żelaza(III). Wytrącenie wodorotlenku żelaza(III) pozwala na praktycznie całkowite usunięcie związków żelaza z wody.

Utlenianie -> Strącanie -> Oddzielenie

Najprostszą metodą utleniania jest napowietrzanie, w wyniku czego częściowo usunięty zostanie również CO₂ i H₂S ( o ile występuje). Sposób utlenienia zależy od związku żelaza występującego w wodzie:

1. Wodorowęglan żelaza(II)

W wodach podziemnych najczęściej występuje nietrwały wodorowęglan żelaza(II), który łatwo reaguje z wodą tworząc rozpuszczalny wodorotlenek żelaza:

Fe(HCO3)2 + 2 H2O = Fe(OH)2 + 2H2O + 2CO2

Powstający wodorotlenek żelaza(II) pod wpływem tlenu w trakcie napowietrzania wody i przy odpowiednim pH (około 8,5) utlenia się do wodorotlenku żelaza(III).

4 Fe(OH)3 + 2H2O + O2 = 4 Fe(OH)3

Wodorotlenek ten jest bardzo słabo rozpuszczalny, ulega koagulacji i wypada w postaci osadu. Stężenie związków żelaza można w ten sposób obniżyć do 0,1 -0,3 mg Fe/dm3.

1. Helaty (związki żelazoorganiczne)

W przypadku tych związków napowietrzanie jest niemożliwe i należy zastosować odpowiedni utleniacz KMnO_4, lub NaMnO_4, który pozwoli na utlenienie żelaza nawet przy niskim pH.

1. Siarczan żelaza

Jeśli żelazo występuje w postaci FeSO₄ to w wyniku hydrolizy powstaje kwas siarkowy (VI), który zakwasza środowisko, uniemożliwiając proces utlenienia. W takim przypadku do schematu technologicznego dochodzi alkalizacja (podwyższenie pH) poprzez dodanie CaO, NaOH lub Na₂CO₃.

Dawki ww. substancji należy dokładnie obliczyć , żeby uniknąć niepotrzebnego wytrącania się węglanu wapnia. Jeśli dawka będzie nieadekwatna do ilości żelaza, jej nadmiar reaguje z dwutlenkiem węgla:

CaO + CO₂ -> CaCO₃

Wynikają wtedy nie tylko dodatkowe koszty inwestycyjne, ale również eksploatacyjne (przeciążenie urządzeń do usuwania zawiesin).

Po strąceniu żelaza należy oddzielić powstała zawiesinę. Gdy jej ilość przekracza wartość 5mg/l konieczna jest sedymentacja i filtracja. Jeżeli wartość jest mniejsza wystarczy zastosowanie filtrów pośpiesznych.

1. mangan

   1. Skutki występowania żelaza

Podobnie jak w przypadku żelaza, negatywne skutki przekroczonej wartości manganu to głównie nieprzyjemny smak oraz zapach wody. Mangan tworzy charakterystyczne czarne osady osadzające się w rurach, armaturze, itp. Osady te są jeszcze bardziej uciążliwe niż w przypadku żelaza, zwłaszcza jeśli zostanie zabrudzona armatura lub pranie. W osadach manganowych bardzo intensywnie rozwijają się różnie bakterie.

Zawartość manganu w wodzie uzdatnionej nie może przekraczać 0,05 mgMn/L.

1. Forma występowania

Mangan zazwyczaj współwystępuje w wodzie z żelazem. Rzadkie są przypadki (ale są), że w wodzie występuje mangan, ale nie ma żelaza i odwrotnie.

Również podobnie jak żelazo występuje w wodzie w postaci jonów Mn²⁺.

1. Zasada odmanganiania

Odmanganianie zachodzi następująco: związki manganu(II) tworzą wodorotlenek manganu(II) utleniany następnie do MnO(OH)2. Ogólny schemat wygląda identycznie jak przy odżelazianiu:

Utlenianie -> Strącanie -> Oddzielenie

Całkowite utlenienie manganu wymaga jednak wyższego pH niż przy usuwaniu żelaza. Bez katalizatora pH musiałoby wynosić 10,3 (co jest wartością stanowczo za wysoką-nie prowadzi się procesów uzdatniania przy takim pH). Wykorzystuje się tu zatem inne metody poza klasycznym napowietrzaniem:

Metoda pierwsza polega na utlenieniu manganu silnym utleniaczem takim jak nadmanganian potasu, związki chloru czy ozon [tlen przy pH charakteryzującym wody naturalne nie jest w stanie utlenić manganu (II) do nierozpuszczalnego manganu (IV)]. Wytrącony dwutlenek manganu (IV) jest następnie odcedzany na złożu filtracyjnym.

Druga metoda natomiast polega na wykorzystaniu katalitycznych własności dwutlenku manganu, który musi znaleźć się w złożu. Dwutlenek manganu sorbuje na swojej powierzchni mangan (II) dopływający wraz z wodą surową. Dzięki własnością utleniającym aadsorbowany mangan (II) jest utleniany do manganu (III) – formy pośredniej, nieaktywnej chemicznie, nie posiadającej już własności katalitycznych. Sam dwutlenek manganu jednocześnie redukuje się również do tej samej, pośredniej formy manganu (III).

Paradoksalnie znacznie łatwiej uzdatnić wody o średniej i dużej zawartości manganu niż gdy zawartość tego pierwiastka jest niska. W przypadku wód o wysokiej zawartości manganu, złoże szybko się uaktywnia i tworzy porządne, czarne manganowe (dwutlenek manganu) powłoki katalityczne.

wybór układu technologicznego

Uzdatnianie wód podziemnych zazwyczaj rozpoczyna się od wcześniej wspomnianego usuwania CO_2. Zdarza się, że nie ma potrzeby projektowania dodatkowych urządzeń do tego celu, gdyż odkwaszanie następuje podczas napowietrzania przed procesem odżelaziania i odmanganiania.

Przykład:

Układ prosty-związki żelaza w postaci łatwo usuwalnej i w niedużyh ilościach

Ze względu na to , ze związki manganu można usunąć z wody tymi samymi metodami, co związki żelaza, zazwyczaj odżelazianie i odmanganianie przeprowadza się równocześnie w układzie jednostopniowym. W określonych sytuacjach technologicznych konieczne jest rozdzielenie stopni z podziałem na: stopień pierwszy – odżelazianie, stopień drugi odmanganianie wody. Sytuacje te dotycząc przede wszystkim:

– wód o wysokiej zawartości żelaza,

– układów technologicznych o wysokiej prędkości filtracji,

– wód o wysokiej zawartości jonu amonowego.

Poniżej przedstawiono przykładowe układy technologicznego odżelaziania i odmanganiania:

1. DWUSTOPNIOWE

• Związki żelazoorganiczne + mangan

• FeSO₄ +Mangan

1. JEDNOSTOPNIOWE

Jednostopniowe odżelazianie i odmanganianie wód głębinowych przeprowadza się na filtrach, wypełnionych różnego rodzaju złożami filtracyjnymi w zależności od przyjętego procesu technologicznego. Jako wypełnienie stosowane są złoża żwirowe, złoża katalityczne - brausztynowe (odpowiednio przygotowane rudy manganu) lub ze sztucznie nałożoną powłoką MnO₂.

Najczęściej stosowane złoża:

• Filtr odżelaziająco-odmanganiający ERF-Greensand

• Birm

• Filter Ag

• Antracyt

• Pyrolox

Przykład:

krótkie podsumowanie dla tych, którym nie chce się czytać całości :P

• Wybór metody uzdatniania zależy przede wszystkim od występowania trzech pierwiastków – żelaza , manganu i agresywnego węgla

• Usuwanie wszystkich trzech substancji wymaga napowietrzania, gdyż woda podziemna nie zawiera w ogóle tlenu potrzebnego do prawidłowego przeprowadzenia reakcji.

• Napowietrzanie zawsze jest pierwszym krokiem przy uzdatnianiu wody podziemnej

• W wyniku dostarczenia tlenu zostaje usunięty CO2, a woda przygotowana jest do dalszych etapów uzdatniania-usuwania manganu i żelaza .

• Mn i Fe mogą być usuwane w jednym urządzeniu (filtrze) , gdy ich stężenia są małe lub w dwóch odrębnych reaktorach, gdy stężenia są duze.

• Metoda usuwania Fe zależy od jego formy występowania:

  • Fe(HCO₃)₂ –wystarczy napowietrzanie i usunięcie zawiesiny na filtrach( gdy jest jej mało) lub poprzez sedymentacje i filtracje (dużo zawiesiny)

  • FeSO₄ – wymaga dodania związków alkalizujących (powstały w reakcjach kwas siarkowy uniemożliwia utlenienie żelaza)

  • Zw. Żelazoorganiczne-usuwanie Fe za pomocą silnych utleniaczy KMnO_4, lub NaMnO₄

• Usuwanie manganu bez wykorzystania dodatkowych substancji wymaga bardzo dużego pH, dlatego nie jest wystarczające samo napowietrzanie

• Utlenienie Mn następuje w wyniku dodatnia silnego utleniacza lub na filtrach z błonką z MnO₂

• Po utlenieniu tych związków usuwa się je na filtrach lub w osadnikach

• Na koniec wodę poddaje się dezynfekcji