Poradnik_Oczyszczanie ścieków.doc

Metody i urządzenia do oczyszczania wody i ścieków
z zanieczyszczeń

I. Metody i urządzenia do oczyszczania wody 

Dwie trzecie powierzchni Ziemi pokryte jest wodą, z czego tylko 1% stanowi woda słodka nadająca się do celów konsumpcyjnych. Około 99% wody na globie ziemskim, to woda słona tworząca morza i oceany, woda w lodowcach lub para wodna w atmosferze. Polska należy do obszarów z bardzo skromnymi zasobami wodnymi - na 1 mieszkańca przypada w naszym kraju 10 razy mniej wody niż w pozostałych rejonach świata, co stawia nas dopiero na 20 miejscu w Europie. Dorosły człowiek potrzebuje ok. 2,5 litra wody dziennie do spożycia. Mimo, że woda pitna często jest zanieczyszczona ludzie i tak ją piją, gdyż  jest niezbędna dla naszego organizmu i pełni w nim różne funkcje. Należą do nich m.in:

- rozpuszczanie pokarmu oraz jego transport,                                                                                                                  - wchłanianie pożywienia z jelit i odżywianie komórek,                                                                     -  usuwanie szkodliwych produktów przemiany materii,                                                                  -  regulacja temperatury,                                                                                                                 -  zwilżanie błony śluzowej, stawów, gałki ocznej.

W związku z tym, że woda  jest niezbędna dla prawidłowego funkcjonowania organizmu jej braki musimy stale i systematycznie uzupełniać. Całość wody znajdującej się w naszym organizmie wymieniana jest w ciągu 20 dni. Ilość wody potrzebna do uzupełnienia bilansu wodnego zależna jest od wielu czynników, przede wszystkim od wieku, aktywności fizycznej, temperatury otoczenia i wilgotności powietrza. Surowcem do produkcji wody pitnej jest najczęściej woda powierzchniowa zakwalifikowana do III klasy czystości lub pozaklasowa. Woda taka zawiera zanieczyszczenia - naturalne, pochodzące ze ścieków komunalnych            - przemysłowe, pochodzące z nieczyszczonych ścieków przemysłowych- z motoryzacji             - z chemizacji rolnictwa- ze składowisk śmieci z opadów atmosferycznych- wypłukiwane       z naturalnych złóż skalnych Ogromna część zanieczyszczeń wody (szczególnie ta rozpuszczona w niej) jest tradycyjnymi metodami po prostu nieusuwalna. W celu zapobiegania epidemiom stosuje się skuteczne dawki chloru do dezynfekcji surowca. Jesteśmy zatem zmuszeni wypijać z wodą kranową setki związków chemicznych, których ilość przekracza dzisiaj do 1000 mg na 1 litr wody.  Woda przeznaczona do picia musi spełniać pewne wymagania mikrobiologiczne , które ujęte są w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia.

WYMAGANIA MIKROBIOLOGICZNE, JAKIM POWINNA ODPOWIADAĆ WODA PRZEZNACZONA DO SPOŻYCIA PRZEZ LUDZI

1)       Dopuszcza się pojedyncze bakterie wykrywane sporadycznie, nie w kolejnych próbkach; do 5% próbek w     ciągu roku. 

2)       Należy badać w wodzie pochodzącej z ujęć powierzchniowych.

Ustawa Ministra Ochrony Środowiska mówi wyraźnie, że tylko rzeki I klasy czystości mogą być źródłem wód dla zakładów wodociągowych celem przerabiania ich na wody pitne. Tylko z takiego surowca da się zrobić czystą, zdrową i bezpieczną wodę do picia. Problem polega na tym , że takich wód powierzchniowych już w Polsce praktycznie nie ma. Z powodu ich braku oraz braku wód II klasy czystości wodę pobiera się najczęściej z rzek III klasy czystości oraz z rzek pozaklasowych. Ją następnie uzdatnia się w zakładach wodociągowych.

Na podstawie Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 listopada 2002 roku
w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia  wyróżnia się trzy kategorie jakości wody, w zależności od wartości  granicznych wskaźników jakości wody, które z uwagi na ich zanieczyszczenie muszą być poddane procesom uzdatniania w celu uzyskania wody przeznaczonej do spożycia:

Ø      Kategoria A-1 –woda wymagająca prostego uzdatniania fizycznego, szczególności filtracji (polega na usuwaniu z oczyszczonej cieczy cząstek o średnicy > 0,1 mikrometra )  oraz dezynfekcji ( niszczenie mikroorganizmów obecnych w wodzie       i zabezpieczanie dobrej jakości sanitarnej wody w sieci wodociągowej).

Ø      Kategoria A-2-woda wymagająca typowego uzdatniania fizycznego i chemicznego,    w  szczególności utleniania wstępnego( to wymiana elektronów miedzy substancją utleniającą a redukcyjna, stosowana jest na przykład  w celu usuwania związków barwnych oraz powodujących smak i zapach oraz jako wspomaganie flokulacji)   koagulacji (,usuwanie z wody rozproszonych w niej cząstek przez ich połączenia) flokulacji( kłaczkowanie - jest to zjawisko łączenia się mniejszych cząstek w większe, co jest związane przede wszystkim z procesem koagulacji ) , filtracji, dezynfekcji (chlorowania końcowego).  

Ø      Kategoria A-3 - wymagająca wysokosprawnego uzdatniania fizycznego                       i chemicznego, w szczególności utleniania koagulacji, flokulacji, filtracji, adsorpcji na węglu aktywnym( służy głównie do usuwania rozpuszczonych związków organicznych ), dezynfekcji (ozonowania, chlorowania końcowego).

Wymagania jakim powinny odpowiadać kategorie jakości wody A1-A3 określa załącznik nr 1 do Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 listopada 2002 roku w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia.

Częstotliwość pobierania próbek wody jest uzależniona od kategorii jej jakości oraz liczby osób korzystających z wodociągu  i może ulec zwiększeniu w szczególnych przypadkach. Minimalna roczną częstotliwość pobierania próbek dla każdego wskaźnika jej jakości określa załącznik nr 2  do Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 listopada 2002 roku               w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia

PROCESY OCZYSZCZANIA WODY:

NAPOWIETRZANIE- (aeracja) -technologicznie jest to wprowadzenie tlenu do wody
z jednoczesnym usunięciem rozpuszczonych w niej innych gazów. Aeracja odbywa się przez: 

a) wtłaczanie powietrza lub tlenu do wody,

b) rozbryzgi wody na strugi i krople w celu zapewnienia dużej powierzchni wymiany,

c) przez jednoczesne stosowanie a) i b).

Poprzez napowietrzanie usuwa się z wody gazy rozpuszczone (CO2, H2S, CH4 i inne powodujące smak i zapach) i lotne związki organiczne oraz zwiększa zawartość tlenu, a przez usunięcie CO2 zwiększa odczyn pH wody. Wprowadzenie do wody tlenu rozpuszczonego stwarza warunki do hydrolizy i utleniania związków żelaza i manganu oraz zapobiega powstawaniu środowiska redukcyjnego pogarszającego smak i zapach wody.  Urządzenia,     w których realizowane jest napowietrzanie wody, nazywane są aeratorami. Konstrukcja aeratorów powinna zapewnić możliwie największą powierzchnię kontaktu  powietrza z wodą. Aeratory dzieli się na

-ciśnieniowe-stosowane do napowietrzania wody o zasadowości > 5 val/m3

- otwarte -zalecane do odkwaszanie wody o zasadowości <5 val/m3   

Aeratory do napowietrzania ciśnieniowego są to zbiorniki ciśnieniowe, w których odkwaszana woda kontaktuje się z zassanym powietrzem. Najczęściej do tego celu stosuje się ciśnieniowe mieszacze powietrza z wodą (zapewniają dokładne wymieszanie wody
z powietrzem poprzez np: wewnętrzne kaskady) oraz ciśnieniowe zbiorniki napowietrzania       ( doprowadzona woda jest rozbryzgiwana przez dysze, a powietrze znajduje się pod ciśnieniem) . Do mieszaczy musi być doprowadzone sprężone powietrze, którego ilość zależy od stężenia żelaza dwuwartościowego w oczyszczanej wodzie. Niezbędna ilość powietrza
w stosunku do objętości uzdatnianej wody ( w warunkach normalnych) powinna wynosić:

2% -jeżeli stężenie żelaza (Fe2+) jest ≤ 5 g Fe/m3

3% - jeżeli stężenie żelaza (Fe2+) wynosi 5-8 g Fe/m3

5% - jeżeli stężenie żelaza (Fe2+) jest większe niż 8 g Fe/m3

Ciśnienie powietrza powinno być o 0,1 MPa większe od ciśnienia wody. Ciśnienie robocze
w mieszaczach wynosi do 0,6 MPa, prędkość przepływu wody powinna wynosić 0,05-0,06 m/s, a zalecony czas kontaktu wody z powietrzem wewnątrz aeratora jest równy 30-180 s. Napowietrzanie ciśnieniowe zapewnia dobry efekt natleniania wody, natomiast mały stopień odkwaszania. Stąd sposób ten stosuje się dla wód o dużej zasadowości ( >5 val/m3), a przy mniejszej zasadowości po napowietrzaniu ciśnieniowym konieczne jest wiązanie pozostałego agresywnego CO2. 

Urządzenia do napowietrzania otwartego zapewniają kontakt wody z powietrzem, w wyniku rozbryzgiwania wody w atmosferze powietrza lub przez wprowadzenie powietrza sprężonego do zbiorników o swobodnym zwierciadle wody.  Najstarszym typem urządzenia do napowietrzania otwartego są koryta z otworami z których woda wypływając w postaci cienkich strug kontaktuje się z powietrzem. Uzyskiwany efekt odkwaszania nie przekracza   30 %, stopień natlenienia zaś jest duży około 80 % nasycenia wody tlenem. Znacznie większą skuteczność napowietrzania zapewniają dysze zdeżeniowe gdzie skuteczność napowietrzania zależy od ciśnienia wody w rurociągach, w którym zamontowane są dysze. Sprawność odkwaszania wynosi 60-80%, jeżeli woda jest natleniona w około 95%. Proces ten jest bardzo skuteczny, usuwa substancje lotne, szczególnie amonowe, wadą jednak jest wysoka energochłonność.

KOAGULACJA- większość występujących w wodzie cząstek zawiesinowych ma ujemny ładunek elektryczny. Koagulacja przebiega w ten sposób, iż do wody zawierającej ujemnie naładowane cząstki koloidalne dodaje się substancję chemiczną zwaną koagulantem, która zawiera koloidy o dodatnim ładunku elektrycznym . W praktyce koagulacja zachodzi            w dwóch fazach: w pierwszej, występującej bezpośrednio po dodaniu koagulanta, a trwającej sekundy, przebiegają reakcje chemiczne i fizyczne prowadzące do destabilizacji cząstek koloidalnych (d= 10-7-10-5) ; podczas drugiej fazy (trwającej znacznie dłużej ), zwanej flokulacją, w wyniku transportu i zderzeń cząstek zdestabilizowanych powstają kłaczki, które mogą być skutecznie usuwane z wody w procesach sedymentacji i filtracji.  W ten sposób następuje neutralizacja ładunków elektrycznych cząstek koloidalnych, przez co zlikwidowane zostaje zjawisko wzajemnego ich odpychanie się. Najczęściej stosowanymi koagulantami są siarczan glinu (Al2(SO4)3 i siarczan żelaza (Fe2(SO4)3.  W wyniku koagulacji usuwane są         z wody cząstki trudno opadające oraz te które decydują o mętności oraz o intensywności jej barwy. Wśród koloidów powodujących mętność dominują koloidy hydrofobowe(cząstki zawiesin nieorganicznych i bezwodne tlenki metali) zaś wśród decydujących o intensywności barwy -koloidy hydrofilne (cząstki organiczne zawieszone, żywe i martwe mikroorganizmy oraz uwodnione tlenki metali). oraz częściej z wód zanieczyszczonych poza koloidami pochodzenia naturalnego z wody mogą być usuwane koloidy obce (np: skrobia, białka, celuloza, barwnik organiczne) trafiające do wód ze ściekami. Właściwie przebiegająca koagulacja zapewnia nie tylko duży stopień usuwania koloidów i zawiesin trudno opadających, ale również zasocjowanych  z nimi innych zanieczyszczeń, w tym także mikrozanieczyszczeń. Tak więc efektem skutecznej koagulacji jest zmniejszenie mętności, intensywności barwy, wskaźników zanieczyszczenia organicznego oraz zawartości wielu mikrozanieczyszczeń głównie występujących w postaci form trudno rozpuszczalnych, koagulacja to proces w którym usunięte zostaje około 90-98% zawiesiny.

SEDYMENTACJA- jest jednym z podstawowych procesów wykorzystywanych             w oczyszczaniu wody  do usuwania z niej cząstek o gęstości większej od gęstości wody,         a więc cząstek opadających. Opadanie cząstek w wodzie jest zjawiskiem złożonym i zależy m.in. od ich stężenia, ciężaru właściwego cząstek, kształtu, gęstości i temperatury oraz prędkości i kierunku przepływu wody.  Bardzo małe cząstki mineralne, o średnicy ziarna poniżej 0,015 mm, pozostają w zawieszeniu nawet przy niewielkiej prędkości płynięcia wody  (około 0,1 cm/s), natomiast cząstki o średnicy 1mm sedymentują  dopiero przy prędkościach mniejszych od 8cm/s. 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 cząstka opada oddzielnie, nie oddziałując na cząstki sąsiadujące i nie zamieniając właściwości fizycznych. takie opadanie zachodzi najczęściej w przypadku zawiesin ziarnistych. Przy znacznym zagęszczeniu cząstek, występuje opadanie skupione, podczas którego cząstki nawzajem oddziałują  na siebie i przez wzajemne zderzanie tworzą aglomeraty. 

Główną rolę w procesie sedymentacji odgrywają osadniki, są  to urządzenia, w których zachodzi proces usuwania zawiesin z oczyszczanej wody. Służą więc one do zatrzymywania zawiesin łatwo opadających naturalnych lub wytworzonych w procesie koagulacji lub chemicznego strącania związków trudno rozpuszczalnych. Ich miejsce w układzie urządzeń zależy od jakości oczyszczanej wody, a więc rodzaju i kolejności procesów jednostkowych oczyszczania wody. W razie konieczności usunięcia zawiesin łatwo opadających z wody przed ich dalszym oczyszczaniem osadniki znajdują się na początku układu urządzeń. Jeżeli natomiast w układzie technologicznym uzdatniania wody stosuje się koagulację, to miejsce osadników jest po urządzeniach, w których zachodzą procesy prowadzące do powstania zawiesin sedymentujących. Woda z osadników kierowana jest zwykle na filtry zapewniające dalsze usuwanie zawiesin. Miarą skuteczności działania osadników jest zawartość zawiesin   w wodzie po sedymentacji. Sprawność sedymentacji, określa się jako: M0/M*100% (gdzie M0- masa zawiesin zatrzymanych w osadniku; M-masa zawiesin w wodzie przed sedymentacją), zależy od rodzaju cząstek sedymentujących oraz czasu sedymentacji.             Jeżeli proces ten przebiega prawidłowo to jego skuteczność wynosi od 90-98%.  Osadniki,
z uwagi na kierunek przepływu wody, można podzielić na osadniki o przepływie: poziomym, pionowym, i poziomo-pionowym. Ponadto, do oczyszczania wody stosowane mogą być osadniki odśrodkowe i wielostrumieniowe. Specjalną odmianą osadników o przepływie pionowym są osadniki kontaktowe w których wykorzystuje się efekt przyspieszenia koagulacji poprzez kontakt koagulowanych zanieczyszczeń i stosowanego koagulanta.   

FILTRACJA - jest procesem zapewniającym usuwanie z oczyszczanej cieczy cząstek
o średnicy > 0,1 µm. Proces ten realizowany jest w urządzeniach nazywanych filtrami. Najczęściej stosowanymi materiałami filtracyjnymi są: piasek kwarcowy i węgiel antracytowy. Ponadto stosowane są materiały spiekane, jak np: materiały kruszcowe - grant  oraz tworzywa sztuczne o gęstości mniejsze od gęstości wody.  Materiały filtracyjne spełniają swoje zadanie wówczas gdy, charakteryzują się właściwym uziarnieniem, porowatością, gęstością, wytrzymałością mechaniczną oraz składem chemicznym. (Kowal, Świderska-Bróż 1999)  Ze względu na warunki pracy oraz rodzaj złóż filtracyjnych, filtry można podzielić na :

- powolne i pospieszne,

-grawitacyjne-budowane są najczęściej jako zbiorniki żelbetonowe o przekroju prostokątnym, i ciśnieniowe wykonywane jako zamknięte zbiorniki stalowe,

-otwarte i zamknięte.

Ze względu na powszechne stosowanie filtrów powolnych i pospiesznych
w oczyszczaniu wody dokładniej zajmiemy się tylko mini. Filtry powolne nazywane są również filtrami biologicznymi, ponieważ podczas filtracji przez złoże filtracyjne zachodzą zarówno procesy fizyczne jak i biologiczne. Wynikiem tych zjawisk jest duży stopień usuwania cząstek stałych oraz rozkład biochemiczny zanieczyszczeń. Cechą filtrów powolnych jest mała prędkość filtracji wody, która najczęściej wynosi ok. 0,1 m/h,
a wyjątkowo przy skutecznym wstępnym oczyszczaniu wody może być większa od 0,3 m/h. W miarę pogarszania się jakości wód powierzchniowych sama wstępna sedymentacja nie jest procesem wystarczającym do zapewnienia właściwej jakości wody kierowanej na filtry powolne. Dlatego w wielu zakładach wodę po sedymentacji, a przed filtracją powolną, oczyszczano dodatkowo w procesie filtracji pospiesznej. Wykluczone jest natomiast dawkowanie do wody przed filtrami powolnymi chemikaliów, co mogłoby prowadzić do zanieczyszczenia mikroorganizmów tworzących błonę biologiczną. Skuteczność usuwania wirusów i bakterii w wyniku filtracji powolnej przez złoże piaskowe wynosi od 74% (bakterie typu coli) -98%.(bakteriofagi) Wadą filtrów powolnych jest ich duża powierzchnia zwiększająca koszty inwestycyjne.

...