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
a) węgiel pylisty
ujmowanie wody
↓
WAP I
mieszanie wody
koagulacja (proces flokulacji)
sedymentacja
WAP II
filtracja
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
b) 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.
Casablanca22