metody uzdatniania wody.docx

Klasyfikacja metod uzdatniania wody

Rys 1 Obieg wody w przyrodzie

              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:                                         

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

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

Ø      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

Fizyczne metody uzdatniania wody

Do fizycznych metod uzdatniania wody należą:

Ø      Cedzenie

Ø      Napowietrzanie i odpędzanie powietrzem

Ø      Sedymentacja

Ø      Filtracja

Ø      Adsorpcja

Ø      Procesy membranowe

Ø      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.[1,2,3]

Kraty

Kraty stosuje się tylko przy oczyszczaniu wód powierzchniowych. Ich zadaniem jest usuwanie z uzdatnionej wody części pływających i zawiesin grubych do średnio drobnych. Zbudowane są z prętów metalowych zamontowanych w ramach pionowo lub pod kątem (60 – 70o), powierzchnia jest uzależniona od wydajności procesu i powinna być tak dobrana aby straty ciśnienia przy przepływie wody były niższe niż 0,5m słupa wody. Na wielkość strat ma także wpływ kształt przekroju prętów.                                                           W zależności od szerokości prześwitu między prętami rozróżnia się:  

Ø      kraty rzadkie o prześwicie 3 – 10 cm

Ø      kraty średnie  o prześwicie 1 – 3 cm

Ø      kraty gęste o prześwicie  0,3 – 1 cm

Sita

Sita są instalowane tuż za kratami w celu zatrzymania drobniejszych zanieczyszczeń mechanicznych i organizmów żywych znajdujących się w wodzie. Wykonane są z materiałów antykorozyjnych to jest z sitaki ze stali nierdzewnej lub tworzyw sztucznych. Wielkość oczek w sitach wynosi od 2×2 do 5×5mm. Ponieważ sita należy poddawać okresowemu czyszczeniu na większych ujęciach wody stosuje się sita czyszczone mechanicznie lub sita ruchome.

Mikrosita

Mikrosita służą do zatrzymywania bardzo drobnych zanieczyszczeń zwłaszcza na ujęciach wód ze zbiorników zaporowych, w którym występuje okresowo masowy rozwój planktonu. Wykonane są w kształcie bębna pokrytego gęstą tkaniną o dobrej przepuszczalności wody. Tkaninę tę stanowi metalowa mikrosiatka o oczkach rzędu kilkudziesięciu milimetrów. Bęben obracany jest za pomocą silnika elektrycznego z prędkością 3 4 obr/mim. Linowa prędkość przepływu wody przez mikrosita jest mała i mieści się w granicach 10 – 100m/h.[1]

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:

Ø      opadanie cząstek ziarnistych

Ø      opadanie cząstek kłaczkowatych

             Ze względu na warunki hydrauliczne wyróżnić można:

Ø      opadanie swobodne

Ø      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:

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

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

Ze względu na prędkość filtracji filtry można podzielić na :

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

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

Ze względu na liczbę warstw materiału filtracyjnego filtry dzielimy na:

Ø      jednowarstwowe – wypełnione jednym rodzajem materiał filtracyjnego

Ø      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:

Ø      do mechanicznego cedzenia zawiesin znajdujących się w wodzie

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

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

Ø      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

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

Ø      chemicznie aktywne

Ø      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:...