Wykład IV.doc

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 75oC przez 10 minut, jeżeli natomiast mamy zarodniki wąglika to 100oC 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 20oC 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.

Stosowanie

Chlorowanie 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.