Metody uzdatniania wód powierzchniowych

Woda jest niezbędnym surowcem w życiu każdego organizmu na naszej planecie, jednak większość wód powierzchniowych nie odpowiada naszym wymaganiom (określonym klasom czystości) i dlatego nie nadaje się na zaspokojenie potrzeb ludności i przemysłu. Skażenie wód następuje, kiedy przemysłowe lub rolnicze ścieki dostają się do naturalnego obiegu wody. W skrajnych przypadkach, jak to miało niegdyś miejsce w Stanach Zjednoczonych, kiedy stężenie zanieczyszczeń jest zbyt duże rzeka może nawet się zapalić. Stało się tak z rzeką Cuyaloga, która płynie, między innymi, przez uprzemysłowione regiony Cleveland i Akron.

Pewne zanieczyszczeń mogą być usuwane przez powolne samooczyszczanie się wody. Jest to zespół procesów fizyczno-chemicznych i biologicznych. Przebiega on w wodach podziemnych, powierzchniowych i atmosferycznych i polega na rozkładzie lub rozcieńczeniu substancji zanieczyszczających. Część z nich osadza się na materiale skalnym. Przyczynia się to zmniejszaniu zanieczyszczeń pochodzenia antropogenicznego.

Procesami, które odgrywają największą rolę w procesie oczyszczania wody są: procesy fizyczno-chemiczne (dezynfekcja, koagulacja, zmiękczanie, demineralizowanie, usuwanie magnezu i żelaza, odbarwianie); procesy fizyczno-mechaniczne (np.: osadzanie, filtrowanie, odgazowywanie); i procesy biologiczne (powolne filtrowanie). w swojej pracy postaram się omówić każde z nich.

1. PROCESY FIZYCZNO-MECHANICZNE

Polegają one na ,,wycedzeniu” z roztworu wodnego za pomocą sit, krat i tzw. osadników wszelkiego rodzaju zawiesin i ciał stałych. Pozostałe substancje zostaję poddane procesowi filtrowaniu.

Rodzaje przyrządów służących do usuwania zawiesiny i ciał stałych:

• Kraty- Są to pręty z nierdzewnego metalu zespawane z żelazną ramą. Przy wyławianiu różnego rodzaju zanieczyszczeń ustawia się kraty prostopadle do linii prądu, np. rzeki. W przeciwieństwie do sit, kraty używane są do wyławiania większych ciał stałych, jak na przykład: liście gałęzie drzew, itp.

• Sita- Można powiedzieć, że spełniają taką samą funkcję co kraty. Nie są używane jednak na rzekach i jeziorach lecz w zakładach przemysłowych i małych zbiornikach wodnych. Są to wykonane z nierdzewnego metalu siatki naciągnięte na odporne na korozję ramy. To dzięki nim wyławia się największą ilość zanieczyszczeń, które unoszą się na wodzie. Ścieki przemysłowe, zanim trafią do oczyszczalni muszą być poddane usunięciu włókien, celulozy, włosów i innych odpadów, które pozostały w wodzie za pomocą sit.

• Mikrosita- zrobione są z tkaniny syntetycznej lub z nitek ze stali nierdzewnej o wielkości oczek do ok. 30 mm. Wykorzystywane są do wyławiania małych ciał stałych i zawiesin, planktonu i glonów. Najefektywniej wyławia się zawiesiny i glony przy spokojnej, nie poruszającej się wodzie.

• Osadniki- to urządzenia najczęściej używane do usuwania bardzo drobnych zawiesin z wody. Proces ten polega na tym, że woda bardzo wolno przepływa przez sztucznie urządzone zbiorniki (osadniki) i osadza się w nim. W zależności od rodzaju zawiesin stosuje się osadzanie zwykłe (osadniki poziome, promieniste lub poziome) oraz osadzanie przyspieszone. Osadniki są, jak na razie, niezastąpione, gdyż usuwają do 85% zanieczyszczeń. Jednak do usunięcia zawiesin poniżej 0,05 mm potrzebne jest filtrowanie.

Filtrowanie- jest to najczęściej stosowana metoda technologiczna, mająca na celu uzdatnianie wody. Dzięki niej oczyszcza się wodę z zanie-czyszczeń, które pozostały po wcześniejszych procesach oczyszczania .

Budowa filtru

Filtr składa się z:

• Obudowy, której postać zależy od rodzaju filtru (cegła, żelbeton, blach, itp.),

• Złoże filtru (piasek kwarcowy, antracyt, węgiel, itp.),

• Sieci drenażowej, która ma za zadanie odprowadzania odfiltrowanej wody.

Podczas filtrowania zanieczyszczenia osadzają się nie tylko na powierzchni złoża, lecz i w głębi warstwy materiału, który wypełnia wnętrze filtru.

Rozróżniamy różne rodzaje filtrów:

• Filtry wstępne- ( gruboziarnisty piasek i żwir)- mają za zadanie odfiltrowanie większych zanieczyszczeń,

• Filtru pospieszne-stosuje się przed filtrowaniem powolnym ,

• Filtry powolne- (piasek)- zatrzymują mechanicznie zanieczyszczenia pomiędzy ziarenkami piasku. Po kilku filtrowaniach tworzy się tzw. błona biologiczna, która odgrywa wielką rolę w procesie filtracji,

• Filtry ciśnieniowe- zbudowane z komór ciśnieniowych,

• Filtry grawitacyjne- filtracja następuje pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego,

• Filtry elektromagnetyczne- filtrowanie następuje z pomocą pola magnetycznego. Znajduje to zastosowanie w odżelazowywaniu wody.

Innym sposobem fizyczno-mechanicznym na oczyszczanie wody to jej odgazowywanie. Jest to niezbędne w przypadku wody zasilającej kotły ponieważ nieodgazowana woda mogłaby spowodować korozję, zawiera ona bowiem żelazo i siarkowodór. Metody odgazowywania wody mogą być:

• Mechaniczne- polega na wydzielaniu się gazów z wody przez zwiększenie jej powierzchni, przy zetknięciu się z powietrzem, obniżenie ich ciśnień cząstkowych oraz podwyższeniu temperatury,

• Cieplne- proces ten zachodzi w termicznych komorach, które pracują pod ciśnieniem,

• chemiczne- polega na usunięcie tlenu

II. PROCESY FIZYCZNO-CHEMICZNE

1. Koagulacja- według Encyklopedii PWN jest to łączenie się cząstek koloidowych w zespoły, w wyniku czego wytrąca się osad lub zol przechodzi w żel. Jest to proces usuwania z wody bardzo niewielkich zawiesin. Żeby oczyścić roztwór z tak niewielkich zanieczyszczeń należy wprowadzić do niego pewne związki chemiczne- koagulanty, które tworzą osad wodorotlenków metali w postaci kłaczków mogących destabilizować koloidy zawarte w wodzie. Zanieczyszczenia w postaci większych zawiesin można już łatwo usunąć z wody. Do tego procesu używane są sole mocnych kwasów i słabych zasad. Przebieg koagulacji uwarunkowany jest wieloma czynnikami, takimi jak: rodzaj i dawkowanie koagulantów, ilość zanieczyszczeń znajdujących się w wodzie, temperatura i odczyn wody, szybkość mieszania koagulantów z wodą, środki ułatwiające flokulację.

Do prawidłowego wykonania procesu koagulacji niezbędne są urządzenia takie, jak: urządzenia przygotowywujące, dawkujące i mieszające koagulanty z wodą, osadniki i filtry pospieszne.

Koagulacja składa się z :

-hydrolizy koagulantu,

-flokulacji (tworzenie się kłaczków koloidalnych. Proces ten można podzielić na opalizację, zmętnianie, powstawanie bardzo dużej ilości małych kłaczków i gromadzenie się ich w większe skupiska, które są widoczne gołym okiem)

-sedymentacji (zjawisko opadania cząstek fazy rozproszonej w płynie pod wpływem siły ciężkości lub wirowania)

2. Usuwanie magnezu

Magnez, który znajduje się w wodzie psuje jej smak, większa ilość może być szkodliwa, zatem związek ten jest niepożądany w wodzie. Magnez jest usuwany przez napowietrzanie i filtrację. Można go również wyeliminować metodą biologiczną- używa się w tym celu mikroorganizmów, zdolnych do wiązania magnezu.

3.Odżelazianie wody

W wodzie mogą znajdować się związki żelaza, które pochodzą z korodujących zbiorników i kanałów, z gruntu. Związki te są wyczuwalne na przykład przez smak i zapach wody, przez osadzanie się w grzejnikach, itp. w roztworach zawierających żelazo mogą rozwijać się tzw. bakterie żelaziste, tworzące gąbczastą masę, która może zatykać przewody, przez które płynie woda.

Proces odżelazienia można przeprowadzić na wiele sposobów:

• napowietrzanie (można przeprowadzić przez rozpylanie i wtłaczanie powietrza pod ciśnieniem),

• nawapnianie (gdy trudno jest wytrącić żelazo ze związku do napowietrzania dodaje się wapnia, które zobojętnia wydzielające się kwasy),

• koagulację,

• przepuszczanie wody przez kationy,

• filtrowanie

4. Zmiękczanie wody

Proces ten polega na wyeliminowanie z wody jonów odpowiedzialnych za jej twardość. Możemy wyróżnić następujące metody zmiękczania wody:

• termiczna ( nagrzewa się wodę do temperatury 100⁰C

i usuwanie twardości),

• strącanie (przez wprowadzenie do wody Ca(OH)₂ , który usuwa twardość wody i przez wprowadzenie Na₂CO₃ )

• jonitowa (wodę bez zawiesin przepuszcza się przez filtr kationowy, który wymienia jony wapnia, magnezu, itp. i inne na jony wodoru lub sodu)

5. Demineralizacja wody

Proces ten polega na pozbawieniu wody wszystkich jonów. Całkowita demineralizacja możliwa jest jedynie przez wprowadzenie do wody jonitów. Są to substancje organiczne lub nieorganiczne. Mogą wymieniać jony, które zawierają w sobie na jony znajdujące się w wodzie.

Częściowa demineralizacja jest także możliwa i stosowana w laboratoriach metodą destylacji wody.

6. Dezynfekcja wody

Aby usunąć całkowicie bakterie z wody należy dokonać dezynfekcji. Można ją przeprowadzić różnymi metodami. Należą do nich:

• fizyczne- pasteryzowanie;

• chemiczne- używa się silnych utleniaczy chemicznych( np. Cl₂), ozonowanie lub używanie podchlorków;

• oligodynamiczne- wykorzystywanie właściwości bakteriobójczych niektórych metali (np. Hg, Ag)

3. PROCESY BIOLOGICZNE

Procesy te związane są z filtrami. To na powierzchni złoża filtru powstaje błona biologiczna (mikro i makrooranizmy), na powierzchni której zachodzą procesy utleniania i mineralizacji substancji organicznych zawartych w wodzie.

Ziemia potrafi w pewnym stopniu się regenerować. Tak też jest w przypadku wody. Zanieczyszczenia pochodzenia antropogenicznego i zwierzęcego są rozkładane w powolnym procesie przez rozmaite drobnoustroje i bakterie.

Pełny cykl oczyszczania wody obejmuje cztery fazy:

1. Oczyszczanie mechaniczne- usuwanie zanieczyszczeń stałych i zawiesin;

2. Oczyszczanie biologiczne, usuwające zanieczyszczenia organiczne (rozkład tych zanieczyszczeń odbywa się przy dominującym udziale drobnoustrojów, które sprzyjają procesom samooczyszczania środowiska);

3. Usuwanie związków azotu i fosforu;

4. Ostateczna odnowa wody przez usuwanie resztek zanieczyszczeń. W praktyce jednak spotykamy się niestety z niepełnymi cyklami oczyszczania; stosuje się na przykład wyłącznie oczyszczanie mechaniczne lub mechaniczne i biologiczne, co nie pozwala na uzyskanie odpowiedniej jakości wód.

Bibliografia

1. A. Chojnacki. „Technologia wody i ścieków”, Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa, 1972r.

2. A. Dylikowa, D. Makowska, J. Makowski. „Ziemia i Człowiek. Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne. Warszawa, 1994r.

3. Z. Mikulski. „Gospodarka wodna”. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa, 1998r.

4. A. Kalinowska. „Ekologia- wybór przyszłości”. Warszawa.

5. Encyklopedia Popularna PWN. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa, 1982r.

6. „Świat wiedzy”- Kolekcja Marshalla Cavendisha. Rozdział pt. ”Zanieczyszczenia wód lądowych” (nr 90)

Grzegorz Prażmowski

Wydział Ekonomiczny, Gr. 04

7

7

---