I problemy uzdatniania wody

II problemy oczyszczania ścieków

Technologia wody i ścieków jest dyscypliną nauki, która uczy metod i sposobów uzdatniania wód naturalnych na potrzeby bytowo-gospodarcze. Zajmuje się jednocześnie oczyszczaniem wód użytych (ścieków) w taki sposób, aby można je było odprowadzić z powrotem do środowiska.

Unieszkodliwianie osadów powstających w trakcie uzdatniania wody i oczyszczania ścieków.

Woda występująca w środowisku wykorzystywana jest przez człowieka, w różnych dziedzinach jego życia od zaspokajania pragnienia do wykorzystywania jej w różnych gałęziach przemysłowych. Wykorzystujemy ją także jako źródło energii i drogi transportu. To intensywne korzystanie z wody oraz jej zdolność do rozpuszczania różnych substancji powoduje, że obecnie w środowisku woda nie występuje w stanie czystym. Jest ona w mniejszym lub większym stopniu zanieczyszczona, co czyni ją nieprzydatną do bezpiecznego użycia. Zachodzi konieczność odpowiedniego uzdatniania wody w zależności od dalszego jej przeznaczenia.

Wody naturalne:

- wody opadowe - skroplona para wodna opadająca na powierzchnię Ziemi albo w postaci cieczy (deszcz), stałej (śnieg, lód - grad);

- wody powierzchniowe

Wody opadowe uważane były za najczystsze. Znajdował się w nich azot z wyładowań atmosferycznych. Dzięki działalności człowieka już takie nie są. Niosą ze sobą zanieczyszczenia, które pobierają z atmosfery. Te zanieczyszczenia są charakterystyczne dla obszarów, nad którymi powstają. Istnieje duża migracja zanieczyszczeń, która powoduje, że nawet nad terenami wiecznych lodów w wodach opadowych występują zanieczyszczenia: pyły przemysłowe czy nawet pozostałości pestycydów.

Zanieczyszczenia dla wód opadowych są to:

- różnego rodzaju pyły- pochodzenia roślinnego i pyłki- pochodzenia zwierzęcego i roztocza i inne organizmy- w postaci jonowej, czego efektem mogą być kwaśne deszcze

Dodatkowo wody opadowe ulegają zanieczyszczeniu w trakcie kontaktu z powierzchniami, na które spadają. Zmywają one zanieczyszczenia z powierzchni jezdni, z dachów budynków, a na terenach rolniczych z powierzchni roślin.

Z punktu widzenia technologicznego wody są problemem, ponieważ powodują przenoszenie zanieczyszczeń do wód powierzchniowych i wód podpowierzchniowych płycej zalegających.

Problemem jest odprowadzanie takich wód:

- do rzek (odbiornika) - zanieczyszczenie wód odbiornika

- do oczyszczalni - nadmierne obciążenie oczyszczalni → duże ilości wód małego zanieczyszczenia, rozcieńczenie ścieków

Rozwiązania:1. Możemy wody opadowe zacząć zbierać i wykorzystywać w gospodarstwach domowych i zakładach przemysłowych, wszędzie tam gdzie niewymagana jest woda o jakości wody pitnej.2. Zbieranie wody opadowej w specjalnych zbiornikach, w których będzie ulegała procesom samooczyszczania (wyposażona w odolejacze) i taką wodę po pewnym okresie możemy wykorzystywać do nawadniania terenów zielonych.

3. Rozdzielanie wód opadowych (woda o dużym zanieczyszczeniu do oczyszczalni, reszta do rzeki skutkiem będzie mniejsze obciążenie oczyszczalni i brak zahamowania procesów samooczyszczania w rzece).

Wody powierzchniowe - bardzo duże zróżnicowanie, zaliczamy do nich wody rzeczne, oceanów, jeziorne lub ze zbiorników retencyjnych. Mogą być zasilane przez wody opadowe i podziemne (podpowierzchniowe). Skład wód powierzchniowych jest niejednolity, zależy od ilości wód zasilających, od klimatu i charakterystyki terenu, na którym się znajdują.

Na jakość mają wpływ organizmy żywe występujące w tych wodach, są to organizmy zwierzęce i roślinne. Oddziaływanie organizmów roślinnych zależne jest od pory roku, wpływ ludzi (np. wlewanie pestycydów). Zanieczyszczenia pochodzące z procesów wymywania tzw. domieszki zaliczamy do nich związki żelaza (II i III), możemy znaleźć domieszki wapnia i magnezu, sodu i potasu (kationy); węglany i kwaśne węglany, siarczany, chlorki (aniony) także inne, które to związki mineralne powodują pogorszenie jakości wody, barwa, mętność, charakterystyczny smak. Dwutlenek węgla, siarkowodór mogą powodować cechy agresywne, ale są to zanieczyszczenia, które jesteśmy w stanie usunąć.

Zanieczyszczenia organiczne (są groźniejsze):

Związki organiczne pochodzenia naturalnego (roślinnego lub zwierzęcego), które w wodach naturalnych ulegają procesowi rozkładu - samooczyszczanie wód, efektem jest zakwitanie, co prowadzi do eutrofizacji - proces degradacji zbiornika wodnego, który może spowodować całkowite zanieczyszczenie zbiornika. Wody naturalne, w których występuje proces eutrofizacji charakteryzuje się podwyższoną zawartością ilości związków azotu i fosforu, posiadają wysoką barwę i mętność, nieprzyjemny zapach i są to wody bardzo trudne do procesu uzdatniania.Zanieczyszczenia organiczne wprowadzone przez działalność człowieka:

- związki organiczne wielopierścieniowe (substancje powierzchniowo czynne, detergenty, chlorowane fenole czy dioksyny, substancje ropopochodne)

Powodują one pobieranie tlenu z wód naturalnych, przez co niszczą organizmy żywe występujące w wodach powierzchniowych np. śnięcie ryb. Dodatkowo mogą powodować powstawanie substancji rakotwórczych w procesie uzdatniania wody (usuwanie skomplikowane i drogie).

Zjawisko wtórnego zanieczyszczenia wód - na dnie zbiornika, w których zbierają się osady denne dochodzi w nich do zatrzymywania zanieczyszczeń (związki organiczne: pestycydy, związki nieorganiczne: metale ciężkie); nie ulegają rozkładowi tylko kumulacji, powstają substancje jeszcze bardziej szkodliwe niż substancje wyjściowe, mogą ponownie uwolnić się do wody powierzchniowej po pewnym czasie.

Wody podziemne (podpowierzchniowe, głębinowe)- zalegają na różnych głębokościach, w trakcie przebywania w środowisku glebowym ulegają różnym procesom podczyszczania, do których zaliczamy proces sorpcji, wymiany jonowej oraz proces oczyszczania biologicznego. Efektywność podczyszczania uzależniona jest od charakterystyki materiału glebowego, przez który woda przelatuje, filtruje (porowatość gruntu, typ i ładunek jonów, typ mikroorganizmów w danym środowisku glebowym i rodzaju zanieczyszczeń).

Wody lepszej jakości znajdują się pod nieprzepuszczalną warstwą glebowo - skalną, która zapewnia ochronę wód przed zanieczyszczeniem z zewnątrz. Zanieczyszczenia charakterystyczne dla wód podziemnych pobieranych do uzdatniania:

- występuje żelazo (II) i mangan

- zanieczyszczenia w postaci jonowej (wapń i magnez) oraz sód (powoduje występowanie zjawiska zasadowości alkalicznej - połączenie sodu z kwaśnymi węglanami) i potas (powoduje twardość wód głębinowych - wapń i magnez)

- w formie związków azotu - nie w formie organicznej występuje azot amonowy; powoduje problemy w trakcie uzdatniania wody, bo hamuje proces odżelaziania, odmanganiania, może doprowadzić do powstania osadu pochodzenia biologicznego w instalacjach, którymi będziemy przesyłać wodę.

- azotyny i azotany nie występują w wodach głębinowych obecność sposób naturalny, ich obecność świadczy o zanieczyszczeniu wód głębinowych!

- węglany powodujące twardość węglanową mogą też występować

- siarczany i chlorki (powodujące twardość niewęglanową)

Brak zanieczyszczeń organicznych, pochodzenia naturalnego chyba, że spowodujemy zanieczyszczenia tych wód.

Zanieczyszczenia wód warstw IV-rzędowych z zanieczyszczeniami pochodzącymi z nieprawidłowego składowania osadów ściekowych i przemysłowych z oczyszczalni.

- gazy: dwutlenek węgla pochodzący z procesów wulkanicznych nadaje on wodzie właściwości korozyjne oraz przyspiesza ługowanie zanieczyszczeń pochodzenia jonowego (siarkowodór, tlen rozpuszczony w małych ilościach charakterystyczny dla wód powierzchniowych)

Wymagania stawiane wodzie na cele bytowo-gospodarcze:

- odpowiedni skład określony przez rozporządzenia (u nas przepisy unijne), wody podzielone na V klas (woda z klas I-III nadaje się do uzdatniania na cele bytowo-gospodarcze).

Dobór odpowiedniego procesu uzdatniania:

1. Musimy poznać wodę, którą będziemy uzdatniać, poznać jej skład chemiczny.

2. Dobór odpowiedniej technologii (wybieranie technologii sprawdzonej, nowoczesnej, dającej dobre efekty uzdatniania wody) w trakcie uzdatniania powstają produkty uboczne, osady, które trzeba zagospodarować.

3. Odpowiednia kolejność wykorzystywanych procesów żeby nie spowodować wtórnego zanieczyszczenia wody.

Uzdatnianie wody i oczyszczanie ścieków

Pobieranie wody za pomocą:- ujęcia powierzchniowego- ujęcia głębinowego

W przypadku ścieków są one dostarczane do oczyszczalni za pomocą: - kanałów kanalizacyjnych- wozów asenizacyjnych - zbieranie ścieków na terenach, gdzie nie powstała kanalizacja i są dowożone do oczyszczalni

Pierwszym procesem jest proces cedzenia. Ma on zatrzymać ciała stałe, pływające po powierzchni cieczy, zawieszone w niej lub porywane z dna koryta rzecznego lub kanału ściekowego. Cedzenie ma chronić kolejne urządzenia na stacji uzdatniania wody lub oczyszczalni przed ewentualnym uszkodzeniem, zniszczeniem. Proces ten nie jest wymagany w przypadku wód głębinowych. Jest to proces trzystopniowy, który jest prowadzony na trzech typach urządzeń, do których zaliczamy: kraty, sita i mikrosita.

Kraty występują na stacjach uzdatniania wody jak też na oczyszczalniach ścieków. Konstrukcyjnie kraty stanowią zespół pionowych prętów wykonanych z miedzi lub stali nierdzewnej zamontowanych na ujęciu wody powierzchniowej lub w kanale doprowadzającym ścieki do oczyszczalni (przed kratami: punkt zrzutu ścieków z wozu).

Kraty mogą być gęste lub rzadkie od 20 do 50 mm. Znajdują się najczęściej na zewnątrz, czyli w okresie zimowym muszą być poddawane ogrzewaniu poprzez parę wodną lub ogrzewaniu elektrycznemu. W przypadku ujęć wód na kratach zatrzymują się wszystkie duże zanieczyszczenia (gałęzie, puszki, większe skupiska glonów, duże ryby). W przypadku oczyszczalni na kratach zatrzymuje się wszystko, co wrzucone zostanie do toalety a nie osiądzie w kanale w trakcie przepływu ścieku.

Sita to następne urządzenia występujące po kratach. Sita są charakterystyczne dla stacji uzdatniania wody (SUW) natomiast na oczyszczalniach ścieków mają trochę inne zastosowanie.Na stacjach uzdatniania wody sita mają konstrukcję z siatki nierdzewnej lub blachy perforowanej rozpiętej na stelażu, wielkość oczek od 2 do 5 mm, wykonywane są jako urządzenia ruchome i sita wymienne.

Na sitach zatrzymują się liście, kolonie glonów, które zdołały przepłynąć przez kraty lub małe rybki. Sita czyszczone są najczęściej strumieniem cieczy.

Sita na terenie oczyszczalni ścieków mają dwa zastosowania:

- oddzielenie zanieczyszczeń stałych znajdujących się w ściekach, które przeszły przez kratę, odbywa się to na sitach samoczyszczących

- zatrzymanie zawiesin organicznych po procesie biologicznego oczyszczania ścieków (oczyszczanie ścieków bytowo-gospodarczych) na terenie oczyszczalni przemysłowych sita są stosowane do zatrzymywania substancji, które są wykorzystywane w produkcji lub odpadów poprodukcyjnych, które przedostały się do ścieków, a można je odzyskać i ponownie wykorzystać.Mikrosita występują na terenach stacji uzdatniania wód i sporadycznie na terenach oczyszczalni. Jest ono wykonane z tkaniny głównie syntetycznej, rozpiętej na obracającym się bębnie, wielkość oczek tej tkaniny dochodzi do 10 mikrometrów.

Proces oczyszczania: woda/ścieki wprowadzane są do środka bębna, który obraca się z prędkością 3-4 obrotów/min, na tkaninie zatrzymują się zanieczyszczenia, a woda i ścieki przepływają poza bęben, następnie zanieczyszczenia są zbierane z tkaniny i odprowadzone do wysuszenia.Na SUW (stacjach uzdatniania wody) zatrzymywane są zanieczyszczenia, które przeszły przez kraty i sita takie jak glony i plankton.

Na oczyszczalniach ścieków zatrzymywane są ścieki przemysłowe takie jak zawiesiny biologiczne, substancje wykorzystywane w produkcji.

Drugi proces to sedymentacja. Jest to rozdzielenie ciał stałych od cieczy z wykorzystaniem siły ciężkości, czyli ciała stałego o gęstości większej niż woda podlegają procesowi opadania i osadzania na dnie urządzeń, w których ten proces przeprowadzamy.

Proces sedymencja znalazł szerokie zastosowanie w technologii wody i ścieków. Jest on stosowany w celu zatrzymania zawiesin czy to zawiesin mineralnych czy też organicznych, przez co na SUW chronimy filtry przed zakolmatowieniem (zapchaniem) złoża, a w oczyszczalniach ścieków chronimy urządzenia do biologicznej oczyszczalni ścieków przed zrzutem nadmiernej ilości zanieczyszczeń organicznych i przed przedostaniem się zawiesin mineralnych (np. piasku) do reaktorów biologicznych, powodując w nich uszkodzenie błony biologicznej czy osadu czynnego.Proces sedymencja przeprowadzamy w 2 typach urządzeń:

1. Piaskowniki zatrzymują zawiesinę mineralną (np. piasek)2.Osadniki zatrzymują:

- na SUW: osady pochodzące z procesów koagulacji, napowietrzania i strącania chemicznego

- na oczyszczalniach ścieków: zawiesiny organiczne oraz osady pochodzenia chemicznego np. proces defosfatacji chemicznej - oczyszczalnie bytowo-gospodarcze lub proces strącania chemicznego (oczyszczalnie przemysłowe).

Zawiesiny dzielimy na dwa rodzaje:- zawiesina ziarnista - zawiesina włóknista

Zawiesina ziarnista - procesowi sedymencja ulegają cząstki o kształcie kulistym, niezmieniające w trakcie opadania swoich podstawowych parametrów fizycznych, czyli nie zmieniają swojego kształtu, wielkości i gęstości. W trakcie opadania dochodzi do ich wzajemnego oddziaływania, zakłócenia opadania cząstki wirami wywołanymi przez jej poprzedniczkę, co najczęściej powoduje zmniejszenie prędkości opadania, a także zmianę średniej prędkości opadania w wyniku kontaktu cząstki ze ścianami urządzenia (efekt przyścienny). Mówimy o sedymentacji skupionej (wszystkie elementy muszą wystąpić). Przy projektowaniu urządzeń do technologii uzdatniania wody i ścieków wprowadza się pewne ułatwienia, przyjmując sedymentację swobodną, czyli zakłada się wtedy, że stężenie cząsteczek jest na tyle małe, że można pominąć oddziaływanie pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami. W projektowaniu przyjmujemy sedymentację jako swobodne opadanie cząsteczek w nieorganicznej przestrzeni.

Zawiesina włóknista charakteryzuje się tym, że jej cząsteczki posiadają nieregularny kształt, często o dużej powierzchni przy małej gęstości. Zawiesina ta posiada właściwości łączenia się cząsteczek w większe skupiska. Utworzone aglomeraty po pewnym czasie ulegają sedymentacji, ponownie rozpadają się na mniejsze cząstki. W przypadku projektowania urządzeń do tego typu zawiesiny obliczenia należy poprzedzić badaniami laboratoryjnymi określającymi czas opadania konkretnej zawiesiny, dla której projektowane jest urządzenie.

Trzeci proces to flotacja. Występuje w wodzie i w ściekach. Jest to proces oddzielenia fazy stałej od fazy ciekłej polegający na wynoszeniu cząsteczek gęstości mniejszej od gęstości cieczy na jej powierzchnię.

Flotacja może być uważana za pewną odmianę sedymentacji tylko, że nie obserwujemy opadania tylko wynoszenie.

Proces ten zachodzi w komorach flotacyjnych, ale także w osadnikach i w piaskownikach.

Flotację można przyspieszyć w sposób sztuczny przez wprowadzenie do komory flotacji pęcherzyków powietrza, które podczepiając się pod cząsteczkę, przyspieszają jej wypłynięcie na powierzchnię. Rozróżniamy 3 rodzaje flotacji:

- flotacja ciśnieniowa - polega na tym, że wodę pod ciśnieniem nasycamy powietrzem i taką wodę wprowadzamy do komory flotacji, w wyniku spadku ciśnienia w trakcie wpłynięcia wody do komory dochodzi do wytworzenia mikroskopijnych pęcherzyków

- flotacja sprężonym powietrzem - polega na wprowadzeniu do wody powietrza o kształcie pęcherzyków wytworzonych przez specjalne urządzenia umieszczone w komorze zwanej dyfuzorami- flotacja próżniowa - polega na uzyskaniu pęcherzyków przez wytworzenie podciśnienia w komorze flotacji, co prowadzi do wydzielania się gazów rozpuszczonych

Czwarty proces to proces odżelaziania. Jest to charakterystyczny proces uzdatniania wody na stacjach uzdatniania wody (SUW) wód głębinowych.

W głębinowych wodach naturalnych żelazo występuje na 2 i 3 stopniu utleniania, przy czym w wodach głębinowych o małej zawartości tlenu rozpuszczonego dominuje żelazo na drugim stopniu utleniania. Żelazo występuje najczęściej w połączeniu z kwaśnymi węglanami i siarczanami, są to tak zwane zanieczyszczenia pochodzenia mineralnego. Żelazo może także występować w połączeniu ze związkami organicznymi, gdy woda przepływa przez tereny torfowe to są to związki zwane humusowymi.

Niezależnie od formy występowania żelazo nadaje wodzie następujące cechy:

- powoduje podwyższenie barwy- powoduje podwyższenie mętności

- powoduje pogorszenie smaku nadaje gorzki smak, tzw. atramentowy

Efekty, które wywołuje woda z żelazem:- barwienie tkanin i papieru- pozostawia rdzawy osad na naczyniach i urządzeniach- osad pochodzenia biologicznego (bakterie żelazolubne w wyniku ich umierania powstaje osad)

Żelazo w nadmiarze nie jest szkodliwe dla człowieka, ale nie mamy także żadnej korzyści, gdyż go nie przyswajamy.

Istotą procesu odżelazienia jest przeprowadzenie żelaza II wart. w żelazo III wart. i następnie usunięcie go z uzdatnionej wody.

Proces uzależniony jest od formy występowania żelaza. W przypadku występowania żelaza w połączeniu z kwaśnymi węglanami proces uzdatniania jest stosunkowo prosty i polega na:

- napowietrzaniu wody- sedymentacji (przy dużych ilościach wodorotlenku żelaza III wart.)

- odżelazienie na drodze filtracji- dezynfekcja- odprowadzenie do odbiorcy

Fe(HCO₃)₂ + 2H₂O → Fe(OH)₂ + 2H₂CO₃

2H₂CO₃ = 2H₂O + 2CO₂ - kwas węglowy, który jest niestabilny

Woda w momencie pobrania jest klarowna potem mętnieje.

Napowietrzając przyspieszamy wydzielanie dwutlenku węgla z wody, co sprzyja wytrącaniu wodorotlenku żelaza (II), dalsze napowietrzanie powoduje utlenianie wodorotlenku żelaza II do wodorotlenku żelaza III, który charakteryzuje się większą stabilnością i łatwiejszym usunięciem, wydzieleniem go z wody. Usuwanie wodorotlenku żelaza III z wody następuje w procesie sedymentacji. 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃

Powstały osad opada na dno odbiornika, woda pozbawiona osadu przepływa na złoże filtracyjne, na którym dochodzi do usunięcia pozostałości żelaza.

H₂SO₄ + Ca(OH)₂ → CaSO₄ + 2H₂O

H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O

W procesie filtracji dochodzi do usunięcia pozostałości żelaza, w wyniku osiadania na materiale porowatym, po takim złożu woda wypływa klarowna.

Proces usuwania żelaza może być utrudniony w wyniku obecności w uzdatnionej wodzie substancji organicznych, które mogą działać jak koloidy ochronne.

Niekorzystnie wpływa obecność w uzdatnionej wodzie siarczanów sodu i potasu oraz znaczna zawartość dwutlenku węgla.

Żelazo w połączeniu z siarczanami

FeSO₄ + 2H₂O → Fe(OH)₂ + H₂SO₄

- napowietrzanie, alkalizacja, sedymentacja obowiązkowa, odżelazienie i dezynfekcja

Odżelazianie takiej wody jest trudniejsze w przypadku żelaza połączonego z kwaśnymi węglanami.Wody takie powinny posiadać własną zasadowość (neutralizowana jest wtedy kwasowość).Po dodaniu jonów wapnia i sodu następuje wzrost twardości niewęglanowej. Dawka jonów jest dobierana w zależności od zasadowości uzdatnionej wody.

Procesowi uzdatniania wody razem z alkalizacją towarzyszy wydzielenie większej ilości osadów niż w przypadku uzdatniania wody posiadających żelazo w połączeniu z kwaśnym węglanem.Usuwanie żelaza w połączeniu ze związkami organicznymi

W przypadku żelaza występującego w wodach w połączeniu z anionem organicznym proces napowietrzania i filtracji w środowisku obojętnym nie znajduje zastosowania. Wprowadzenie do wody silnych utleniaczy niesie ze sobą niebezpieczeństwo powstania połączenia pomiędzy utleniaczem, a związkami organicznymi, co może spowodować powstanie toksycznych substancji niebezpiecznych dla człowieka. Jedną z metod, którą można by zastosować jest zwiększanie w uzdatnionej wodzie stężenia jonów wodorowych. Możemy to uzyskać przez obniżenie pH wody do wartości 2. W warunkach takich wodór wypchnie żelazo z aglomeratu (połączenie żelaza - związek organiczny) powodując uwolnienie żelaza II wartościowego do formy jonowej i dalsze jego przeprowadzenie w wodorotlenek żelaza (III). Po zakończeniu procesu konieczna jest korekta pH ponownie do wartości obojętnych. Na dzień dzisiejszy metoda ta nie znajduje szerokiego zastosowania i w przypadku usuwania żelaza w połączeniu ze związkami organicznymi najczęściej stosowana jest metoda koagulacji wody z wykorzystaniem związków glinu lub wapna. Żelazo usuwane jest w tej metodzie razem ze związkami organicznymi w wyniku zatrzymywania na powierzchni cząsteczek wodorotlenku glinu oraz innych produktów hydrolizy koagulantu. W przypadku stosowania koagulacji związkami wapna usuwanie żelaza zachodzi w trakcie wytrącania węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu. W przypadku tej metody wadą jest zubożenie wody w związki magnezu i dodatkowo dochodzi do zaburzenia równowagi węglanowo-wapniowej, dlatego uzdatnioną wodę poddaje się procesowi rekarbonizacji. Uzyskujemy to na drodze nasycenia wody dwutlenkiem węgla.

W przypadku uzdatniania wody z zawartością żelaza możemy stosować metody:

- napowietrzanie z filtracją- napowietrzanie z alkalizacją i filtracją

Te dwie metody zalecane są dla wód głębinowych.

- koagulacja (zalecana jest dla wód powierzchniowych)

- usuwanie żelaza na jonitach - jest to metoda stosowana w przypadku uzdatniania wody na cele przemysłowe i ma ona zastosowanie tylko w przypadku niskich stężeń żelaza, które usuwane są równocześnie z usuwaniem twardości wody

W wodach występuje również mangan, także usuwany z wody. Występowanie manganu w wodzie nadaje jej właściwości podobne jak w przypadku żelaza: podwyższona barwa, mętność, w gospodarstwie domowym barwienie naczyń i tkanin, wytrącanie osadów.

Wysokie stężenia manganu w wodzie mogą być szkodliwe dla człowieka, dlatego mangan musimy usuwać z wody. W porównaniu z żelazem usuwanie manganu jest jeszcze bardziej zależne od pH środowiska. Istotą odmanganiania jest przeprowadzenie manganu (II) rozpuszczonego w wodzie do nierozpuszczalnej formy manganu (IV).

W środowisku obojętnym lub kwaśnym proces ten nie zachodzi. W przypadku, jeśli chcemy usunąć mangan z wody należy doprowadzić pH uzdatnionej wody do wartości 8,5 przynajmniej lub wyższej i dopiero w takim środowisku możemy zastosować proces napowietrzania i filtracji wody. Oczywiście uzdatniona woda charakteryzuje się dużą alkalicznością i musimy ja ponownie zobojętnić, co zmusza nas do zastosowania reagentów chemicznych powodujących jednocześnie zasolenie wody, dlatego na dzień dzisiejszy istnieją tak naprawdę dwie metody usuwania manganu z wody.

I stosowanie utleniaczy II stosowanie złóż aktywowanych

W I metodzie zaleca się stosować w tym celu ozon lub dwutlenek chloru, które prowadzą do wytrącania manganu w postaci nierozpuszczonego, uwodnionego tlenku manganu, jednak metoda ta jest niezwykle kosztowna ze względu na ilość zużywanych reagentów. Ozon należy zużyć pięciokrotną zawartością manganu w uzdatnionej wodzie. Dwutlenek chloru: dziesięciokrotną zawartością manganu w wodzie.

Dlatego szersze zastosowanie znajduje II metoda polegająca na filtracji uzdatnionej wody przez złoże aktywowane. Aktywacja złoża polega na wytworzeniu na materiale filtracyjnym warstwy aktywnej składającej się z dwutlenku manganu. Warstwa ta posiada zdolność zatrzymywania manganu (II).Aktywacja złoża może odbywać się w dwojaki sposób:

1. Samowpracowanie złoża - w nieaktywne złoże wprowadzamy uzdatnioną wodę zawierającą mangan, na tym złożu dochodzi do wytworzenia na ziarnach warstwy aktywnej składającej się z dwutlenku manganu.

2. Aktywacji złoża (sztuczna) - polega na wytworzeniu na złożu warstwy aktywnej przez wprowadzenie do złoża roztworu chemicznego zawierającego mangan, takim roztworem jest najczęściej nadmanganian potasu, aktywowane złoże kupujemy albo przygotowujemy sobie samodzielnie przez przepuszczanie przez złoże nieaktywne 10% roztworu nadmanganianu potasu, w wyniku tego procesu dochodzi do wytworzenia warstwy aktywnej dwutlenku manganu, która jest warstwą stabilniejszą od warstwy uzyskanej w procesie samowpracowania.

W przypadku usuwania manganu z wody możemy ten proces wprowadzić równolegle z usuwaniem żelaza, ale lepsze efekty uzyskujemy w wyniku zastosowania kolejności procesów polegających na:- usunięciu żelaza- usunięciu manganu na złożu aktywowanym

W usuwaniu manganu przeszkadzają obecne w wodzie kwaśne węglany, siarczany i azot w postaci amonowej.Koagulacja - proces stosowany jest najczęściej do uzdatniania wód powierzchniowych, bardzo rzadko do stosowania wód infiltracyjnych i głębinowych, zalecany jest on do usuwania z wody zanieczyszczeń koloidalnych i zawiesin trudno opadających. Uzyskujemy obniżenie barwy i mętności. Istotą procesu jest zmniejszenie stopnia dyspersji układu koloidalnego w wyniku, czego dochodzi do połączenia mniejszych cząsteczek w większe aglomeraty, które następnie można usunąć na drodze sedymentacji lub flotacji oraz filtracji.A - stabilny układ koloidalny

Cząsteczki posiadają swoje ładunki, powodujące wzajemne odpychanie cząstek, co nadaje układowi zdolność poruszania się w sposób charakterystyczny (ruchy Browna). Układ nie wykazuje zdolności samosedymentacji, przez tą swoją reakcję wzajemnych cząsteczek pozostaje w wodzie w układzie zawieszonym. W wyniku procesu koagulacji działamy czynnikiem zewnętrznym powodującym zablokowanie ładunku cząsteczek, przez co powodujemy destabilizację układu koloidalnego.

1 - destabilizacja układu koloidalnego

W wyniku destabilizacji cząsteczki koloidalne zaczynają się ze sobą łączyć tworząc niestabilne kłaczki.B - niestabilne kłaczki

W wyniku dalszego transportu i zderzeń tych cząsteczek dochodzi do dalszego ich łączenia w aglomeraty.2 - transport, dalsza aglomeracjaC - duże skupiska koagulantu, aglomeraty możemy wydzielić w sedymentacji 3 - proces deaglomeracji

Wytworzone aglomeraty są częściowo niestabilne i mogą ponownie rozpadać się do cząsteczek mniejszych ustalonych (ustabilizowanych). Są to cząsteczki mniejsze niż aglomeraty, ale większe niż w stanowisku wyjściowym, nie posiadają ładunku, dlatego możemy je usuwać z uzdatnionej wody D - stan ustabilizowany uzdatnionej wody

W praktyce uzdatniania wody w celu uzyskania procesu koagulacji, do wody najczęściej dodaje się koagulanty w postaci siarczanu glinu, siarczanu żelaza II i III wartościowego oraz chlorku żelaza III wartościowego. Są to związki chemiczne, które wprowadzamy do wody.

Fazy procesu koagulacji I destabilizacja

Występuje ona bezpośrednio po dodaniu koagulanta do uzdatnionej wody, trwa kilka sekund i w trakcie tej fazy zachodzą reakcje chemiczne powodujące destabilizację układu koloidalnego. II flokulacja

Trwa znacznie dłużej, odpowiada za proces tworzenia się aglomeratów w wyniku transportu i zderzeń cząstek, w fazie tej powstaje charakterystyczny osad dla koagulacji w postaci zawiesiny włóknistej powszechnie zwanej kłaczkami.

1 - komora szybkiego mieszania 2 - dozownik koagulanta 3 - dozownik korektora pH

4 - dozownik obciążników5 - dozownik węgla aktywnego pylistego 6 - komora wolnego mieszania 7 - osadnik 8 - filtr

W komorze szybkiego mieszania zachodzi I faza koagulacji. W komorze wolnego mieszania zachodzi II faza koagulacji (flokulacja - wytworzenie kłaczków). W osadniku zachodzi proces sedymentacji. Woda, która odpływa przenosi niewielkie ilości drobin, które są zatrzymywane na filtrze. Proces filtracji polega na doczyszczeniu aglomeratów, które nie uległy procesowi koagulacji.

I faza trwa kilka sekund, ustalamy ją doświadczalnie dla procesu. II faza w komorze wolnego mieszania może trwać od 30 do 90 minut. Bardzo ważne, aby doszło do wytworzenia prawidłowej struktury osadu.

Koagulant. Proces koagulacji jest zależny od typu zastosowanego koagulanta, od jego formy oraz od jego dawki. Koagulant możemy dodawać w postaci stałej (potrzebujemy jedno urządzenie, długi czas na rozpuszczenie się koagulanta w wodzie uzdatnionej) lub w postaci roztworu (liczba urządzeń jest większa, łatwiejsze jest dawkowanie, proces koagulacji zachodzi od razu). Dawkowanie koagulanta - konieczne jest dobieranie dawki optymalnej.

1 - brak zmiany parametrów, zbyt mała dawka koagulanta

2 - zapoczątkowanie procesu koagulacji, przebiega ona szybciej, zaczyna zachodzić faza rozpoczęcia przebiegu koagulacji, dochodzi do ustalenia dawki optymalnej dla procesu koagulacji3 - dalsze zwiększanie dawki koagulanta nie zwiększa efektywności procesu

4 - wtórne zanieczyszczenie uzdatnionej wody, wzrastająca dawka koagulanta może spowodować wyższą barwę wody uzdatnionej (gorsze parametry)

5 - ustalenie się barwy wody uzdatnionej na pewnej wartości, może powrócić do barwy wyjściowej6 - ponowny proces koagulacji, ale spowodowany przesyceniem wody roztworem koagulantu Najbardziej efektywny proces koagulacji (pomiędzy 2-3). Zakończenie procesu powinno przebiegać po drugim etapie. Powyżej 3 dalsze zwiększanie kosztów procesu, zanieczyszczenie wody uzdatnionej.

Korektory pH Cechą charakterystyczna poszczególnych koagulantów jest ich właściwe działanie w odpowiednim pH np. siarczanem żelaza (III), daje nam najlepszy efekt koagulacji i jeżeli zapewnimy pH procesu w granicach od 7-7,8. W przypadku siarczanu glinu proces koagulacji przebiega najefektywniej przy wartości powyżej 7. Wartość nie może być mniejsza niż 6,5 ponieważ w środowisku tym następuje hydroliza koagulanta.

Obciążniki Są to substancje chemiczne, które wprowadzamy do uzdatnionej wody w celu przyspieszenia procesu koagulacji. Są to odczynniki, które w sposób mechaniczny przyspieszają zderzenia cząstek a dodatkowo działają także jako obciążniki powstających osadów przyspieszając ich proces sedymentacji. Bardzo często stosowanym obciążnikiem jest aktywna krzemionka, która dodatkowo powoduje uniezależnienie procesu koagulacji od temperatury środowiska.

Węgiel aktywny pylisty Posiada zdolność sorbowania. Zatrzymuje zanieczyszczenia (proces sorpcji) organiczne i dalej wydziela się z uzdatnionej wody w procesie sedymentacji.

Proces filtracji Jest ostatnim zabiegiem stosowanym przy klarowaniu wody. Ma ona na celu usunięcie najdrobniejszych zawiesin, które nie zostały zatrzymane w procesie sedymentacji. W wyniku filtracji uzyskujemy usunięcie zawiesin rzędu 80-85%. W przypadku poprzedzenia filtracji koagulacją efektywność procesu wzrasta do 90%. Proces filtracji pozwala na usunięcie z wody także zanieczyszczeń jonowych oraz niektórych bakterii. Istotą procesu jest zatrzymywanie zanieczyszczeń zawartych w wodzie w trakcie przepływu przez materiał porowaty. Dokładne określenie prędkości filtracji oraz drogi, jaką pokonuje woda jest prawie niemożliwe. Dlatego w praktyce przyjmuje się uproszczoną w filtracji równą ilorazowi objętości przepływającej wody w czasie do całkowitego przekroju złoża filtracyjnego. Natomiast jako pokonaną drogę przyjmuje się długość równą wysokości złoża. Proces filtracji jest prowadzony w filtrach; konstrukcyjnie filtr jest zbiornikiem otwartym lub zamkniętym wypełnionym materiałem porowatym. Zbiornik wyposażony jest w instalację doprowadzającą i odprowadzającą wodę. Zarówno w procesie uzdatniania jak i w procesie czyszczenia filtra.

Mechanizm filtracji Podczas filtrowania wody przepływa ona przez materiał filtracyjny w określonym kierunku i z określoną prędkością. Za przepływ wody przez złoże odpowiada nadciśnienie wytworzone nad złożem filtracyjnym. W przypadku filtrów otwartych nadciśnienie to zapewnia warstwa cieczy zatrzymana nad złożem filtracyjnym i wysokość tej warstwy cieczy zwiększa się wraz z kolmatacją złoża. W przypadku filtrów zamkniętych funkcje wytworzenia nadciśnienia przejmują pompy. Za efektywność procesu filtracji odpowiadają także procesy towarzyszące, do których zaliczamy procesy: cedzenia, sedymentacji i dyfuzji, które decydują o transporcie cząsteczki na materiał filtracyjny. Dodatkowo obserwujemy strefowość występowania procesów wspomagających filtrację.

Jeżeli chodzi o filtrację mechaniczną to przyjmuje się, że odbywa się ona w górnych warstwach złoża filtracyjnego i jest to warstwa około 5 cm, w której odbywa się zatrzymywanie 90% zanieczyszczeń zawartych w uzdatnionej wodzie. W pozostałych częściach złoża zachodzą procesy adsorpcji, katalizy, wymiany jonowej oraz procesy biochemiczne.

Jeżeli chodzi o procesy adsorpcji, katalizy i wymiany jonowej to zachodzą one w całej objętości złoża. Uzależnione są od charakterystyki zastosowanego materiału filtracyjnego, filtracyjnego wykorzystujemy je w procesach odżelaziania, odmanganiania i zmiękczania wody. Natomiast procesy biochemiczne mogą zachodzić w górnych częściach złoża i tutaj dominują procesy tlenowe wykorzystywane np. przy procesie nitryfikacji wody, w warstwach głębszych będziemy obserwować procesy beztlenowe wykorzystywane np. przy procesie denitryfikacji wody. Procesy adsorpcji, katalizy oraz procesy biochemiczne mogą pojawiać się w złożu filtracyjnym po pewnym okresie wpracowania (wytworzenie warstw aktywnych na ziarnach materiału filtracyjnego lub namnażanie mikroorganizmów odpowiedzialnych za procesy biochemiczne). Jeżeli chodzi o materiał filtracyjny to powinien być on odporny na działanie mechaniczne i chemiczne (nie powinien zmieniać struktury).

W procesie filtracji wykorzystujemy piasek, żwir, węgiel aktywny granulowany, a w złożach przeznaczonych do filtracji specjalnych pokruszony marmur lub dolomit. Zasada ułożenia złoża filtracyjnego jest następująca albo mamy złoże jednolite albo mamy złoże warstwowe. Jeżeli chodzi o złoża warstwowe to zasada jest taka, że wielkość ziaren materiału filtracyjnego powinna być dwa razy większa od uziarnienia warstwy poprzedzającej. Zapewnia nam to samoistne rozdzielenie poszczególnych warstw materiału filtracyjnego po procesie płukania. Proces filtracji jest procesem cyklicznym i cykl pracy filtra to czas filtracji pomiędzy dwoma kolejnymi płukaniami.

Czas filtracji zależy od:- zastosowanego uziarnienia- prędkości filtracji- od stopnia zanieczyszczenia uzdatnionej wody

Przeciętna długość procesu filtracji przyjmowana jest jako 24 godziny. Nie powinna być krótsza niż 8 godzin. Momentem zakończenia filtracji to jest osiągnięcie dopuszczalnych strat ciśnienia lub pogorszenie jakości filtratu ponad wartości wymagane.

Proces płukania może być prowadzony sama wodą, wykorzystujemy wodę uzdatnioną. Proces płukania odbywa się zawsze w przeciwprądzie. W celu zwiększenia efektywności procesu płukania można go przeprowadzić za pomocą wody uzdatnionej i powietrza. Powietrze wprowadzone w złoże powoduje naruszenie struktury złoża, co prowadzi do zwiększonego odrywania zanieczyszczeń zatrzymywanych na ziarnach materiału filtracyjnego.

Podsumowując proces filtracji zapewnia nam usunięcie z uzdatnionej wody barwy i mętności wody. Przyczynia się także do poprawy smaku wody oraz obniżenia jej utlenialności.

Proces dezynfekcji Wody zbierane jak i wody poddane procesowi uzdatniania mogą zawierać wirusy, bakterie i ich formy przetrwalnikowe oraz pasożyty i wyższe organizmy chorobotwórcze. Dlatego wody przeznaczone do spożycia musza być poddawane procesowi dezynfekcji. Istotą procesu dezynfekcji jest niszczenie czynników chorobotwórczych zawartych w wodzie oraz zabezpieczenie jej dobrej jakości sanitarnej w sieci wodociągowej. Proces dezynfekcji stosowany jest najczęściej na końcu procesu technologicznego w celu zniszczenia patogenu występujących w wodzie w trakcie jej uzdatniania jak i ochrony wody przed zanieczyszczeniami wtórnymi. Proces dezynfekcji może być prowadzony na drodze fizycznej lub chemicznej. Prowadzi on do zniszczenia poszczególnych komórek patogenów, zakłóceń procesów metabolicznych oraz powoduje zakłócenie biocenozy oraz wzrostu organizmów szkodliwych.

1. gotowanie i pasteryzacja ,2 zastosowanie promieniowania ultrafioletowego,

3 zastosowanie ultradźwięków

Gotowanie i pasteryzacja polega na działaniu na wodę określoną temperaturą w określonym czasie. Temperatura jak i czas dobierana jest w zależnościach od patogenu, jaki mamy w uzdatnionej wodzie (np. jeżeli mamy bakterie duru brzusznego to temperatura 75^oC przez 10 minut, jeżeli natomiast mamy zarodniki wąglika to 100^oC przez 2 godziny). Proces nie ma zastosowania w dezynfekcji wody w uzdatnianiu wody na cele pitne. Natomiast znajduje zastosowanie w przygotowaniu wody na cele przemysłowe głównie w przemyśle spożywczym. Jest to najprostsza dezynfekcja wody na terenach gdzie nie mamy dostępu do wody uzdatnionej. Musimy pamiętać, że proces gotowania i pasteryzacji zmienia właściwości fizyczne w wyniku zachodzącego procesu dekarbonizacji wody (zmiana smaku).

Zastosowanie promieniowania ultrafioletowego o długości 265 nanometrów posiada zdolność niszczenia komórek mikroorganizmów. Metoda ta nie powoduje zmian cech fizycznych wody, ale równocześnie posiada jedną wadę: działanie dezynfekcyjne mamy tylko w momencie występowania promieniowania, nie mamy zabezpieczenia wody w trakcie jej przesyłu do odbiorcy. Może to powodować wtórne zanieczyszczenie wody w instalacjach. Dla zwiększenia efektywności woda, która poddawana jest procesowi dezynfekcji na drodze procesu powinna być pozbawiona mętności oraz zanieczyszczeń koloidalnych, które mogą zatrzymywać procesy na swojej powierzchni.

Zastosowanie ultradźwięków, których źródłem może być działanie piezoelektryczne płytek kwarcowych pod wpływem prądu zmiennego. Przyjmuje się, że elementem niszczącym są drgania mechaniczne w polu działania ultradźwięków. Powodują one nadmierny wzrost patogenów prowadzących do destrukcji komórek. Dodatkowo obserwuje się także działanie drgań na duże cząsteczki zanieczyszczeń organicznych zawartych w uzdatnionej wodzie. Cząsteczki są rozbijane na drobiny. Na dzień dzisiejszy nie ma szerokiego zastosowania ze względu na brak ochrony wody w trakcie jej przesyłu. Najszersze zastosowanie znajdują metody chemiczne, które polegają na dawkowaniu do wody silnych utleniaczy, do których zaliczamy: chlor i jego związki, ozon, brom i jod, dodatkowo manganian potasu i wodę utlenioną. Na dzień dzisiejszy najszersze zastosowanie ma chlorowanie i ozonowanie wody.

Chlorowanie wody

Proces ten polega na wprowadzaniu do uzdatnionej wody chloru gazowego lub jego związków. W przypadku stosowania chloru musimy pamiętać, że jego skuteczność będzie uzależniona od zastosowanej dawki, czasu kontaktu z uzdatnioną wodą oraz od występowania w uzdatnionej wodzie substancji podatnych na proces utleniania. Jeżeli wprowadzamy chlor do wody to w pierwszej kolejności będą zachodzić procesy utleniania, a w drugiej pozostały chlor będzie posiadał właściwości dezynfekujące. Dlatego konieczne jest ustalenie zapotrzebowania na chlor, który umownie określa się jako najmniejszą ilość chloru wyrażoną w mm chloru na litr, która po 30 minutach kontaktu z wodą w temperaturze 20^oC daje pozostałość chloru rzędu 0,1 mg/l.

Uzdatnianie wody zawierającej azot amonowy.

W przypadku tej wody musimy pamiętać, że w procesie chlorowania tworzą się chloroaminy, które spowalniają działanie bakteriobójcze chloru, czyli blokują cząsteczki chloru, przez co w późniejszym okresie wykazuje ona właściwości bakteriobójcze. Takie zjawisko jest korzystne w przodku rozległych sieci wodociągowych.

StosowanieChlorowanie może być stosowane na końcu układu technologicznego (najczęściej) i wtedy ma ono na celu przede wszystkim ochronę i dezynfekcję wody w instalacji przed wtórnym zanieczyszczeniem. Dodatkowo możemy także wprowadzić chlorowanie wstępne, które spełni wtedy funkcje: utleniania (niszczenie związków organicznych, koloidów ochronnych) i dezynfekcji. Proces jest obciążony niebezpieczeństwem powstania związków chloroorganicznych. Chlorowanie możemy prowadzić jako proces stały, który zawsze występuje w układzie technologicznym i ma zastosowanie bakteriobójcze lub może być prowadzone jako proces okresowy i wtedy parametry wody uzdatnionej nie wykazują konieczności prowadzenia dezynfekcji ciągłej. Natomiast wprowadzamy chlor okresowo w celu zniszczenia obrostów biologicznych powstających w instalacji. Prowadzimy okresowo dezynfekcję.Dobór dawki Pierwsza zaleta możemy stosować dawkowanie dawką normalną wyliczoną z zapotrzebowania na chlor. Druga zaleta to przechorowanie wody (stosujemy to okresowo, jeżeli stwierdzamy zanieczyszczenie wtórne wody; druga funkcja: dezynfekcja i zabezpieczenie). Trzecia zaleta to dawkowanie wielostopniowe: jeżeli mamy rozległą sieć wodociągową i stwierdzimy, że zapotrzebowanie chloru jest tak duże, że spowoduje ono wystąpienie w początkowych odcinkach instalacji 0,5 mg/ l. Przy takim stężeniu chlor jest wyczuwalny to lepiej dawkę konieczną podzielić na mniejsze i zastosować w dalszych odcinkach instalacji.Ozonowanie wody Ozon jest trzyatomową cząsteczką tlenu. Jest on gazem o charakterystycznym zapachu i silnych właściwościach utleniających. Jego działanie bakteriobójcze jest 15 razy większe od działania chloru. Pozostałe zalety to jego działanie bakteriobójcze jest w znacznie mniejszym stopniu uzależnione od temperatury procesu. Druga zaleta: niewykorzystany ozon ulega rozpadowi do tlenu, a nie trzeba go usuwać w sposób sztuczny z uzdatnionej wody. Trzecia zaleta: ozon może być wytwarzany na stacji uzdatniania wody z tlenu zawartego w powietrzu, przez co eliminowane są koszty transportu. Czwarta zaleta to, że w połączeniu ze związkami organicznymi nie powstają substancje o nieprzyjemnym zapachu i smaku. Ilość ozonu potrzebna do dezynfekcji 1 - 3 mg ozonu na litr, które dają nam pozostałość ozonu w uzdatnionej wodzie rzędu 0,3 mg ozonu na litr już po okresie od 5 - 10 minut kontaktu ozonu z uzdatnioną wodą. Jena wada: ozon ze względu na swoją zdolność do rozpadania z powrotem do tlenu nie zapewnia nam ochrony uzdatnionej wody w instalacji. Na dzień dzisiejszy wszędzie tam gdzie stosowane jest ozonowanie prowadzi się dodatkowo chlorowanie wody w celu ochrony jej w instalacji. W przypadku chlorowania wody ozonowanej chlorowanie możemy wprowadzić dopiero po całkowitym zaniku ozonu w uzdatnionej wodzie.

Spośród wszystkich zanieczyszczeń wpływających na właściwości organoleptyczne oraz fizykochemiczne wody coraz więcej uwagi poświęca się związkom organicznym zarówno pochodzenia naturalnego oraz antropogenicznego. Do takich związków należą zanieczyszczenia wprowadzane przez człowieka do środowiska i są to m. in.:

- pestycydy - odpady poprodukcyjne z niektórych zakładów przemysłowych (takie jak np. chlorofenole lub polichlorowane difenyle)

Niebezpieczna są także związki organiczne powstające w trakcie uzdatniania wody. Zaliczamy do nich np. aldehydy, trihalometany. Są to produkty uboczne procesów chlorowania wody. Większość wymienionych związków posiada właściwości mutagenne lub rakotwórcze. Dlatego konieczne jest ich usuwanie z wody pitnej. Tradycyjnie procesy takie jak koagulacja, filtracja czy sedymentacja są niewystarczające, dlatego konieczne jest wprowadzanie do układów tradycyjnych procesów sorpcji.

Sorpcja - w odniesieniu do uzdatniania wody rozumiemy jako wiązanie zanieczyszczeń zawartych w wodzie na powierzchni ciała stałego.

Ciało stałe, które zatrzymuje zanieczyszczenia przyjęto nazywać sorbentem, a substancję pochłanianą: sorbatem.Zatrzymywanie zanieczyszczeń może odbywać się na kilka sposobów. Wyróżniamy, więc następujące sorpcje:

- zatrzymywanie zanieczyszczeń w wyniku działania sił Van der Waalsa pomiędzy sorbentem a sorbetem mówimy wtedy o sorpcji fizycznej

- zatrzymywanie odbywa się w wyniku wiązania chemicznego pomiędzy sorbentem a sorbatem mówimy wtedy o sorpcji chemicznej lub chemisorpcji

- elektrostatyczne przyciąganie przez sorbent zanieczyszczeń w postaci jonowej określamy sorpcją jonowymienną

Sorpcja jest procesem selektywnym, oznacza to, że jeden typ zanieczyszczeń zawartych w wodzie będzie zatrzymywany lepiej od zanieczyszczeń pozostałych występujących w uzdatnionej wodzie.

Selektywność ta wynika głównie z powinowactwa substancji zawartych w wodzie do sorbentu.Charakterystyka obecnie stosowanych sorbentów

Do sorbentów zaliczamy ciała porowate o różnym charakterze chemicznym i różnym pochodzeniu. Ponieważ proces sorpcji odbywa się na powierzchni sorbenta, to najistotniejszą jego właściwością jest wielkość jego powierzchni właściwej (czyli jest to powierzchnia przypadająca na jednostkę masy sorbenta); im większa powierzchnia, tym większa zdolność sorpcyjna.

Drugą cechą charakterystyczną sorbenta jest wielkość por (otworów). Im większa powierzchnia, tym mniejsze pory. Żeby proces sorpcji zachodził, to zanieczyszczenia muszą wnikać do wnętrza porów.W materiale sorpcyjnym występują pory o różnej wielkości.

Wyróżniamy:- makropory- mezopory- mikropory

Makropory to otwory o promieniach efektywnych większych niż 200nm. Powierzchnia właściwa wynosi do 2m²/gram. Umożliwiają one wnikanie zanieczyszczeń do otworów węższych.Mezopory to otwory przejściowe o promieniach efektywnych od 2 do 100nm. Powierzchnia właściwa może wynosić od 10 do 400 m²/gram.

Mikropory to otwory o promieniu efektywnym mniejszym od 2nm, a ich wymiary porównywalne są z wielkością zatrzymywanych cząsteczek.

Ogólnie sorbenty wykorzystywane w uzdatnianiu wody najczęściej dzielimy na sorbenty mineralne i na sorbenty węglowe.

Sorbenty mineralne - zaliczamy do nich żel krzemionkowy, aktywny tlenek glinu, tlenki i wodorotlenki metali oraz materiały gliniaste.

1) Żel krzemionkowy - sorbent charakteryzujący się dużą wytrzymałością mechaniczną, odpornością na zmiany temperatury, jest to sorbent chemicznie obojętny.

W uzdatnianiu wody żel krzemionkowy stosujemy jako sorbent jonowymienny i stosowany jest do usuwania metali.

2) Tlenki i wodorotlenki metali - na dzień dzisiejszy najszersze zastosowanie znajdują tlenki i wodorotlenki glinu i żelaza (III).

W uzdatnianiu wody stosujemy je do usuwania fluoru i substancji organicznych.

3) Zeolity - sorbenty składające się z uwodnionych glinokrzemianów i krzemianów, przeważnie wapnia i sodu.

W zależności od proporcji krzemionki do tlenku glinu rozróżniamy różne typy zeolitów. Im większa jest ta proporcja, tym zeolit charakteryzuje się większą kwasoodpornością. W uzdatnianiu wody zeolity stosowane są do usuwania m.in. azotu amonowego.

Sorbenty węglowe - węgle, na których prowadzimy proces sorpcji, wykonywane są z różnych materiałów, np. drewno, torf, pestki owoców, łupiny orzechów, węgiel kamienny.

Charakterystyka węgli odbywa się na podstawie ich powierzchni właściwej i wielkości por.

W uzdatnianiu wody stosowane są najczęściej węgle aktywne o powierzchni właściwej od 500 do 1500 m²/gram. Na węglach aktywnych usuwamy zanieczyszczenia powodujące pogorszenie smaku i zapachu, ale także substancji, które same w sobie są szkodliwe. Mogą to być: pestycydy, detergenty, węglowodory alifatyczne lub aromatyczne, pochodne metali ciężkich oraz niektóre wirusy. W niektórych zakładach uzdatniania wody, węgiel aktywny stosowany jest także do dechloracji wody.

Wybranie metody sorpcji na węglu aktywnym dokonujemy biorąc pod uwagę czynniki:

- jakie zadanie ma spełniać węgiel aktywny w procesie uzdatniania wody

- jakie są możliwości techniczne i ekonomiczne- dokonujemy charakterystyki urządzeń wchodzących w skład istniejącego układu technologicznego

- wydajność instalacji Uwzględniając te warunki podejmujemy decyzję, czy stosujemy węgiel aktywny pylisty, czy granulowany.

Węgiel aktywny pylisty Stosujemy go najczęściej do polepszenia właściwości organoleptycznych wody (usuwamy z wody zanieczyszczenia organiczne, powodujące pogorszenie smaku i zapachu wody), dodatkowo węgiel ten może służyć do usuwania zanieczyszczeń ropopochodnych dostających się do wody w wyniku awarii lub wypadków.

Węgiel pylisty dawkowany jest w układzie technologicznym do komory szybkiego mieszania w procesie koagulacji, jest on tam dostarczany pneumatycznie ze zbiorników dawkujących wyposażonych w urządzenia automatyczne wagowe. W celu ustalenia optymalnej dawki przeprowadza się testy laboratoryjne pozwalające określić dawkę optymalną. Polegają one na tym, że do 1 l wody odmierza się kolejno różne dawki węgla aktywnego pylistego (dawki od 20 do 100 mg), stosuje się różne czasy kontaktu węgla z wodą (od 10 do 60 min) i na podstawie tych danych wyznacza się optymalny czas kontaktu węgla z wodą. Najczęściej czas ten wynosi 30 minut.

Stosowanie węgla aktywnego pylistego posiada tę zaletę, że można go zastosować na stacjach uzdatniania wody w nagłych, awaryjnych sytuacjach.

Węgiel aktywny granulowany

Znajduje on obecnie coraz szersze zastosowanie w uzdatnianiu wody, ponieważ pozwala na wyeliminowanie nagłych wahań jakościowych ujmowanej wody. Węgiel aktywny granulowany posiada następujące parametry fizyczne:

- gęstość- zwilżalność- wielkość ziaren- odporność na ścieranie

- zdolność do regeneracji Zakres stosowania węgla aktywnego granulowanego na stacjach uzdatniania wody jest bardzo zróżnicowany i zależy od indywidualnych właściwości wody oraz od parametrów stosowanego węgla aktywnego.

Woda → materiały drogie

Węgle aktywne mogą ulegać biologicznej aktywacji. Złoża węglowe mogą być bardzo dobrym podłożem do rozwoju bakterii. Takie złoża węglowe aktywowane biologicznie znajdują zastosowanie w usuwaniu z wody zanieczyszczeń o charakterze toksycznym lub rakotwórczym. Proces takiego oczyszczania oparty jest na procesie sorpcji i biodegradacji w wyniku działania rozwijających się drobnoustrojów.

Aktywacja biologiczna występuje w złożu aktywnym po pewnym okresie wpracowania. Trwa od 3 do 6 miesięcy, przy odpowiedniej zawartości tlenu w złożu oraz przy odpowiedniej temperaturze. Po takim okresie w złożu węglowym rozwija się życie biologiczne, a proces oczyszczania oparty jest na biochemicznej mineralizacji związków organicznych. Podatność zanieczyszczeń na taki rozkład uzależniona jest od ich polarności i od zawartości atomów węgla w swojej cząsteczce. Im mniejsza jest polarność związku, tym lepsze jest jego zatrzymywanie sorpcyjne. Im więcej jest atomów węgla w cząsteczce, tym większa jest jego biodegradowalność. Produktami końcowymi tego rozkładu jest dwutlenek węgla i woda

Przykłady zastosowania węgli aktywnych w technologii uzdatniania wody

I gwarantuje odpowiedni czas kontaktu węgla z wodą, zapewnia też wykorzystanie istniejącej instalacji bez konieczności budowania dodatkowych urządzeń;

II jest to układ mniej korzystny, bo skraca się czas kontaktu węgla z uzdatnioną wodą; zmniejsza się dawka węgla, jaką trzeba zastosować, ponieważ uzdatniana woda pozbawiona jest już większości zanieczyszczeń; takie zastosowanie niesie ze sobą pewne niebezpieczeństwo, że zastosowany węgiel pylisty może spowodować kolmatację złoża filtracyjnego; dobrze wybyło zastosować w takim układzie sedymentację przed filtrem (wzrost kosztów)

Wady i zalety stosowania WAP

Zalety: - łatwość zmiany dawki w przypadku wzrostu stężenia zanieczyszczeń w uzdatnionej wodzie - szybki proces sorpcji- węgiel pylisty wprowadzony do uzdatnionej wody wspomaga proces sedymentacji

Wady: - brak możliwości regeneracji

- niektóre frakcje węgla pylistego po wprowadzeniu do wody są trudne do dalszego usunięcia

1. węgiel granulowany Stosowany w uzdatnianiu wody jako element oczyszczający samodzielnie albo można proces sorpcji na węglu aktywnym poprzedzić procesem ozonowania; wtedy ten ozon zwiększa efektywność złoża węgla aktywnego granulowanego.Proces sorpcji na węglu aktywnym granulowanym umieszczamy na końcu ciągu technologicznego. WAG zatrzymuje ewentualne zanieczyszczenia powstające w procesie uzdatniania wody.

Wady i zalety stosowania WAG

Zalety: - duża skuteczność usuwania zanieczyszczeń- możliwość bioaktywacji

- możliwość regeneracji węgla aktywnego

Wady: - wysoki koszt węgla aktywnego granulowanego

WAG pracuje w postaci złoża. Projektując złoże węglowe trzeba uwzględnić pewne wahania stężeń zanieczyszczeń w uzdatnianej wodzie.

---