Podstawowe procesy technologiczne

BWT For You and Planet Blue - Technika uzdatniania wody

WODY PODZIEMNE

Zawierają często podwyższone, przekraczające normę dla wód do picia i na potrzeby gospodarcze, stężenia substancji mineralnych i/lub organicznych pochodzenia naturalnego (neogenicznego) lub antropogenicznego. Spośród substancji pochodzenia naturalnego przekroczenia normy dotyczą najczęściej żelaza i manganu, niekiedy również azotu amonowego, substancji organicznych (barwa), siarkowodoru i siarczanów (VI). W zakresie zanieczyszczeń antropogenicznych podstawowy problem stanowią azotany(V) pojawiające się w znacznych ilościach w szczególności na terenach intensywnego rolnictwa oraz nieskanalizowanego osadnictwa. Stosunkowo często pojawiają się również zanieczyszczenia azotem amonowym i siarczanami (VI).

Wykorzystanie wód podziemnych wiąże się więc najczęściej z koniecznością ich uzdatniania. Jest ono stosunkowo proste, jeśli dotyczy żelaza i manganu, i można zrealizować je za pomocą napowietrzania oraz filtracji na filtrach ciśnieniowych w układzie zamkniętym. Wszelkie inne technologie komplikują procesy uzdatniania, a możliwość ich wykorzystania, szczególnie na małych ujęciach wiejskich, jest ze względów ekonomicznych ograniczona. Dotyczy to w szczególności wód zanieczyszczonych azotanami (V), ale także wód zawierających znaczne ilości substancji organicznych, azotu amonowego, a także żelaza i manganu.

Z uwagi na przeznaczenie zasobów wód powierzchniowych, jak i podziemnych do celów konsumpcyjnych i na potrzeby gospodarcze, obecność w nich bakterii jest najczęściej zjawiskiem niepożądanym. Niewskazana jest obecność bakterii zarówno heterotroficznych z grupy form chorobotwórczych (np. z rodzaju Salmonella), jak i saprofitycznych (np. promieniowców), których funkcje metaboliczne wywołują niekorzystne zmiany składu chemicznego wód (np. smak, zapach). Niepożądana jest też obecność chemoautotrofów (np. bakterii żelazowych, siarkowych), powodujących uszkodzenia, a niekiedy zniszczenie urządzeń (korozja) niezbędnych do eksploatacji danego źródła wody.

Biorąc pod uwagę występowanie mikroflory w środowisku naturalnym, jest ona znacznie uboższa w przypadku wód podziemnych w porównaniu ze zbiornikami powierzchniowymi, zarówno pod względem ilościowym, jak i jakościowym (zróżnicowaniem gatunkowym).

Doniesienia z ostatniego dwudziestolecia informują jednak o coraz liczniejszym występowaniu bakterii w wodach podziemnych, będącym wynikiem wzrostu zanieczyszczenia tych ostatnich. Flora bakteryjna stanowi dominujący element wśród organizmów tam występującym. W przypadku zanieczyszczenia wód materią organiczną zaczynają w nich dominować bakterie heterotroficzne. Niekiedy zwiększone ilości bakterii obserwuje się także w warunkach naturalnych, charakteryzujących się podwyższonymi stężeniami związków mineralnych. Są to m.in. bakterie wiążące żelazo, utleniające mangan oraz utleniające lub redukujące związki siarki. Ich wzmożony rozwój wpływa niekorzystnie na urządzenia wodociągowe i na jakość ujmowanych wód.

Bakterie występujące w wodach podziemnych wymagające usunięcia:

Promieniowce (Actinomycetales):

Należą do drobnoustrojów niezwykle uciążliwych w odniesieniu do wód zarówno podziemnych, jak i powierzchniowych. Rozkładając wielocząsteczkowe związki organiczne (chitynę, błonnik, ligniny, kwasy huminowe i fulwowe), wydzielają one do wody nieprzyjemny zapach, określany jako ziemisty, pleśniowy lub stęchły.

Bakterie żelazowe:

Występują one najczęściej w wodach podziemnych niż w powierzchniowych. Mogą także bytować w studniach, przewodach wodociągowych i w złożu filtracyjnym na stacjach uzdatniania wody. Do najczęściej spotykanych w wodach studziennych należą rodzaje: Galionella, Leptrothrix, Crenothrix, Clonothrix, Sphaerotilus, Siderocapsa, Sideromonas, Naumanniella i Thiobacillus (Ferrobacilus). Stanowią one niekiedy niekorzystny czynnik biologiczny w eksploatacji ujęć wody. Ich obecność w zwiększonych ilościach wpływa wyraźnie na barwę, smak i zapach wody.

Ilości komórek np. Galionella sp. Dochodzące do 4700 w 1ml nie powodują jeszcze zmiany cech organoleptycznych, przy około 10000 tych bakterii w 1ml zauważa się pojawienie jasnordzawego zabarwienia wody, a przy ok. 80000 jasnobrązowego. Zmienia się przy tym również zapach (na specyficzny) i posmak na lekko cierpki. Tak duże ilości bakterii występują jedynie podczas płukania sieci wodociągowej oraz przy nagłym zwiększaniu ciśnienia wody.

Bakterie manganowe:

Obok bakterii żelazowych ważną rolę w powstawaniu osadów w studniach i sieci wodociągowej odgrywają bakterie manganowe. Mogą one przyczyniać się również do powstawania niekorzystnych zmian cech organoleptycznych wody (metaliczny posmak, wzrost barwy i mętności). Występują one w wodach i osadach dennych zbiorników oraz w glebach bagiennych i bogatych w materię organiczną. W urządzeniach wodociągowych obserwuje się często efektywne odkładanie osadów zawierających mangan bez udziału klasycznych bakterii manganowych. Wybrane bakterie żelazowe (np. Sphaerotilus manganifera), łącząc zdolność utleniania soli żelaza (II) i manganu (II), kumulują w swych pochewkach wodorotlenek manganu (III) obok wodorotlenku żelaza (III). W świeżych osadach żelazowo-manganowych o luźnej, gąbczastej konsystencji wykrywa się często duże ilości bakterii żelazowych, podczas gdy w starych , silniej przylegających do ścian przewodów spotyka się tylko nieliczne, silnie zmacerowane szczątki tych mikroorganizmów . Zmniejszenie się wydajności studni jako wynik kolmatacji, na skutek rozwoju bakterii żelazowych i manganowych, było bardzo częstym zjawiskiem obserwowanym w Stanach Zjednoczonych, w rejonach położonych nad Zatoką Meksykańską, nad Atlantykiem i Oceanem Spokojnym.

Bakterie siarkowe:

Przedstawiciele tej grupy biorą udział w przemianach związków siarki. W wodach powierzchniowych spotyka się fotosyntetyzujące bakterie siarkowe purpurowe i zielone. Jedynie przypadkowo pojawiają się one w wodach podziemnych, ze względu na brak światła. Dostępu światła nie wymagają natomiast bakterie siarkowe autotroficzne chemosyntetyzujące oraz mikotroficzne i heterotroficzne. Wśród bakterii chemosyntetyzujących wyróżnia się bezbarwne nitkowate bakterie zwane siarkowodorowymi oraz nietworzące form nitkowatych bakterie tionowe. Do najpospolitszych bakterii siarkowodorowych zalicza się rodzaje: Beggiatoa, Tioploca i Thiothrix, odgrywające ważną rolę w zarastaniu i tworzeniu osadów w rurach wodociągowych i studniach.

Wody podziemne stanowią optymalne środowisko dla rozwoju bakterii redukujących siarczany (VI) w warunkach braku tlenu, przy niskim potencjale redoks oraz zawartości związków organicznych. W warunkach beztlenowych, wyniku dysymilacyjnej redukcji siarczanów(VI) wytwarza się siarkowodór (H2S), który reaguje z obecnymi w wodzie jonami metali, np. żelaza (II), tworząc trudno rozpuszczalny osad siarczku żelaza (II) (FeS).Najczęściej spotykanym gatunkiem cechującym się dużą aktywnością biochemiczną jest Desulfovibrio desulfuricans. Bakterie z rodzaju Desulfovibrio są czynnikiem korozji rur wodociągowych w warunkach beztlenowych. Oprócz desulfurykatorów mezofilnych są również bakterie redukujące siarczany (VI) w temperaturach podwyższonych, np. beztlenowiec Desulfotomaculum nigrificans aktywnie rozwija się przy optimum termicznym +55°C, wywołując przy tym zakłócenia w systemach grzewczych.

Działalność bakterii redukujących siarczany (VI) zdecydowanie obniża właściwości organoleptyczne wody do picia, wskutek nadawania jej nieprzyjemnego zapachu siarkowodorowego.

Dodatkowe uzdatnianie wody wodociągowej u odbiorców

Do doczyszczania wody wodociągowej służą domowe stacje doczyszczania wody, popularnie zwane filtrami domowymi, stosowanie których ma na celu usunięcie skutków wtórnego zanieczyszczenia wody w systemach wodociągowych oraz polepszenie jakości wody do picia. Domowe stacje doczyszczania wody dostępne są w zróżnicowanych układach technologicznych. W filtrach domowych mogą zachodzić procesy filtracji, sorpcji, wymiany jonowej, odwróconej osmozy, utleniania i mineralizacji wody. Nie oznacza to, że w każdym filtrze zachodzą te procesy łącznie.

Dobór konkretnego rozwiązania stacji doczyszczania wody zależy od jakości wody ujmowanej oraz od przeznaczenia wody. W procesie doczyszczania wody zakłada się konieczność usuwania z niej grubych zanieczyszczeń mechanicznej (np. rdza, piasek), zawiesin organicznych oraz mineralnych (wytrąconych tlenków i wodorotlenków metali żelaza, cynku i manganu), rozpuszczonych substancji organicznych i mineralnych, związków chloru, jonów wapnia i magnezu powodujących twardość węglanową wody, bakterii oraz końcowego wzbogacania wody w jony wapnia, czasami pozbawionej ich w wyniku przeprowadzonych procesów doczyszczania.

W celu realizacji wymienionych zadań stosuje się procesy filtracji, sorpcji, wymiany jonowej, odwróconej osmozy, utleniania, wzbogacania. W jednym urządzeniu może być przeprowadzony jeden proces lub kilka procesów prowadzonych w odpowiedniej kolejności.

All video

PODSTAWOWE PROCESY TECHNOLOGICZNE

Metody uzdatniania wody

Uzdatnianie wody polega na dostosowaniu jej właściwości fizykochemicznych do wymagań wynikających z jej przeznaczenia. Podstawowym czynnikiem decydującym o sposobie uzdatniania wody jest jej skład. Dlatego przed doborem technologii i uzdatniania wody konieczne jest wykonanie analizy fizykochemicznej przez profesjonalne laboratorium. Badania takie wykonują stacje sanitarno-epidemiologiczne, laboratoria kontroli środowiska lub laboratoria na wyższych uczelniach. Od prawidłowej oceny składu wody zależy dobór odpowiednich filtrów oraz efektywność usuwania z niej zanieczyszczeń.

PODSTAWOWE WSKAŹNIKI JAKOŚCI WODY

Mętność - wskaźnik jakości wody określany w mętnościomierzu Borisa przez porównanie badanej wody z odpowiednio przygotowanymi wzorcami; za jednostkę mętności przyjęto taka mętność, jaka powstaje, jeżeli do 1 dm3 wody destylowanej doda się 1 mg zawiesiny ziemi okrzemkowej lub kaolinu.

Barwa - wskaźnik jakości wody wyrażony w jednostkach barwy, tj. stopniach skali platynowo-kobaltowej (1° odpowiada barwie, jaka nadaje 1 mg Pt w postaci soli rozpuszczonej w 1 dm3 wody). Barwa wody jest wywołana obecnością substancji barwnych dostających sie do wody wraz ze ściekami, substancjami organicznymi pochodzącymi z gleby, związkami żelaza, koloidami albo zakwitami.

Zapach - wskaźnik jakości wody określany organoleptycznie za pomocą powonienia na podstawie skali natężenia zapachu: oznacza sie na zimno (z) lub na gorąco (g). podając natężenie zapachu wg 5-stopniowej skali:

Należy również wskazać grupę zapachu wg następującej klasyfikacji:

R - zapachy roślinne pochodzenia naturalnego, wywołane związkami organicznymi, które nie znajdują się w stanie rozkładu gnilnego (np. zapach ziemi, mchu, siana, torfu, kory drzewnej, zapach kwiatów itp.);

G - zapachy gnilne pochodzenia naturalnego, spowodowane obecnością * wodzie substancji organicznych znajdujących sie w stanie rozkładu gnilnego {np. zapach stęchły, zbutwiały, zapach pleśni, zgniłych jaj, fekalny, itp.);

S - zapachy pochodzenia nienaturalnego, specyficzne, wywołane obecnością związków niespotykanych w wodzie, jak fenol, nafta, chlor itp.

Odczyn - wyraża stopień kwasowości lub zasadowości wody i jest określany ilościowo stężeniem jonów wodorowych: pH=-lg [H+]

Oznaczenie pH wykonuje sie kolorymetrycznie lub elektrometrycznie. Wody o niskim odczynie pH odznaczają sie korozyjnością, natomiast wody o wysokim odczynie pH wykazują skłonność do pienienia się.

Twardość ogólna (całkowita) - właściwość wywołana obecnością substancji rozpuszczonych w wodzie, głównie soli wapnia i magnezu (również innych kationów, które występują jednak w dużo mniejszych ilościach, takich jak jony: żelaza, glinu, manganu oraz metali ciężkich). Twardość wody określa sie zawartością rozpuszczonych w niej soli wapnia i magnezu, wyrażonych w mval/dm3 (1 mg Ca2+/dm3 odpowiada 0,05 mval/dm3, a 1 mg Mg2+/dm3 - 0,082 mval/dm3).

Jednostki twardości - TABELA PRZELICZENIOWA

Klasyfikacja wody wg jej twardości

Twardość ogólna klasyfikuje sie wg kationów (twardość wapniowa i twardość magnezowa) lub wg anionów (twardość węglanowa i twardość nie węglanowa).

Twardość ogólna jest suma twardości węglanowej i niewęglanowej lub sumą twardości wapniowej i magnezowej.

Twardość węglanowa (przemijająca) - jest spowodowana obecnością rozpuszczonych w wodzie wodorowęglanów, węglanów i wodorotlenków wapnia i magnezu. Podczas podgrzewania wodorowęglany wapnia i magnezu wytrącają sie częściowo z roztworu w wyniku odwracalnych reakcji rozkładu i hydrolizy. W wyniku tych reakcji twardość ulega obniżeniu.

Twardość niewęglanowa (stała) - jest spowodowana obecnością rozpuszczonych w wodzie chlorków, siarczanów i krzemianów wapnia i magnezu (nie rozkładają się i nie wytrącają z roztworu podczas podgrzewania wody).

Nadmierna twardość wody jest przyczyną powstawania kamienia kotłowego w urządzeniach pracujących na zasadzie wymiany ciepła ( zmniejszenia wydajno­ści procesu grzewczego), pralkach, zmywarkach do naczyń, bojlerach, rurach, na armaturach i ceramice sanitarnej. W urządzeniach pracujących na zasadzie wymiany ciepła, osady wapnia i magnezu powodują duże straty energii (1 mm warstwy osadów zwiększa zużycie energii o ok. 10%). Dodatkowo, osady w rurach wodociągowych stanowią idealne środowisko dla rozwoju najróżniejszych mikroorganizmów. Nadmierna twardość wody jest również przyczyną większego zużycia środków myjąco-piorących.

Zgodnie z zaleceniami Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) oraz polskimi normami (Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 7 grudnia 2017 r. (Dz.U. 2017 poz. 2294) twardość ogólna wody do picia powinna wynosić 60–500 mg CaCO3/l.

Zasadowość [alkaliczność) - wskaźnik określający zawartość wodorotlenków, wodorowęglanów i węglanów metali alkalicznych (Na, K) i metali ziem alkalicznych |Ca, Mg). Zasadowość wody wyraża sie w mval/dm3 i oznacza miareczkując 100 cm3 wody 0,1-normalnym kwasem solnym lub siarkowym wobec fenoloftaleiny {zasadowość p), a następnie wobec oranżu metylowego (zasadowość m). Zasadowość p (zmiana barwy przy pH = 8.2) uwzględnia wszystkie alkalicznie reagujące składniki wody, które dysocjują z wydzielaniem jonów OH-, zasadowość m zaś (zmiana barwy przy pH=4,3) obejmuje takie występujące w wodzie związki, które reagują z kwasem solnym aż do uzyskania punktu zobojętnienia wobec oranżu metylowego.

Żelazo, mangan - w wodach naturalnych występują przeważnie w postaci węglowodorów, siarczanów, chlorków, związków humusowych i niekiedy fosforanów. Obecność jonów żelaza i manganu jest bardzo szkodliwa dla wielu procesów technologicznych, szczególnie w przemyśle papierniczym, włókienniczym i produkcji błon fotograficznych. Ponadto zawartość żelaza i manganu w wodzie może powodować rozwój bakterii żelazistych i manganowych, których kolonie mogą być przyczyna zarastania przewodów wodociągowych.

Chlorki - zawartość chlorków w wodzie może być wywołana wymywaniem pokładów chlorków bądź też mogą się w niej pojawić wskutek obecności ścieków. Najczęściej chlorki w wodach powierzchniowych występują, jako NaCI, CaCl2 i MgCl2, przy czym zawsze w postaci związków rozpuszczonych.

Związki azotu (amoniak, azotyny, azotany) - powstają głównie z substancji białkowych, które dostają sie do wody z doprowadzanymi ściekami. Amoniak występujący w wodzie może być pochodzenia organicznego lub nieorganicznego. Jeżeli jest on pochodzenia organicznego, obserwuje sie podwyższoną utlenialność.

Azotyny powstają głównie na skutek utleniania amoniaku w wodzie, mogą również przedostawać się sie do niej wraz z woda deszczowa na skutek redukcji azotanów zawartych w glebie.

Azotany stanowią produkt biochemicznego utleniania amoniaku i azotynów bądź też mogą być wyługowane z gleby.

Siarkowodór - nadaje wodzie nieprzyjemny zapach, powoduje rozwój bakterii siarkowych oraz wywołuje korozje. Siarkowodór występujący zazwyczaj w wodach podziemnych, może być pochodzenia mineralnego, organicznego lub biologicznego, przy czym przybiera postać rozpuszczonego gazu lub siarczków. Postać występowania siarkowodoru w wodzie zależy od pH:

• przy pH<5 ma postać H2S;
• przy pH>7 występuje, jako jon HS-;
• przy pH = 5 - 7 może występować, jako H2S lub HS-,

Siarczany - obok chlorków najbardziej rozpowszechnione zanieczyszczenia w wodzie. Dostają sie one do niej wskutek wymywania skal osadowych, wyługowania gleby oraz niekiedy na skutek utleniania siarczków i siarki stanowiących produkty rozkładu białka pochodzącego ze ścieków. Znaczna zawartość siarczanów w wodzie może powodować choroby przewodu pokarmowego, a ponadto woda taka może być przyczyna korozji betonu i konstrukcji żelbetowych.

Dwutlenek węgla - zależnie od odczynu wody może występować w następujących postaciach:

• przy pH<4 - głównie, jako CO2 gazowy;
• przy pH = 8,4 - głównie w postaci jonu wodorowęglanowego HC03-;
• przy pH> 10,5 - głównie, jako jon węglanowy CO32-.

Dwutlenek węgla agresywny - cześć wolnego dwutlenku węgla, która jest niezbędna do zabezpieczenia rozpuszczonych w wodzie wodorowęglanów przed rozkładem. Jest bardzo aktywny i powoduje korozje metali. Ponadto powoduje on rozpuszczanie węglanu wapnia CaCO3 w zaprawach lub betonie i dlatego powinien być usunięty z wody przeznaczonej do celów budowlanych. Przy ocenie agresywności wody, obok stężenia agresywnego dwutlenku węgla, należy uwzględniać również zawartość soli w wodzie. Woda o takiej samej zawartości agresywnego CO2 jest tym agresywniejsza, im większa jest w niej zawartość soli.

Utlenialność - umowny wskaźnik jakości wody, określający zawartość w wodzie substancji utleniających się nadmanganianem potasu KMn04 i wyrażony w mg 02/dm3 badanej wody lub w mg zużytego KMn04 na dm3 (1 mg KMn04 odpowiada 0,25 mg O2).

Sucha pozostałość - pozostałość po odparowaniu wody, wysuszona w temperaturze 105°C i przeliczona na 1 dm3 wody Składają sie na nią wszystkie substancje stale, rozpuszczone i zawieszone w wodzie.

Pozostałość po prażeniu - pozostałość po prażeniu suchej pozostałości w temperaturze 550*C (wypalane zostają wszystkie substancje organiczne).

Strata po prażeniu - umowny wskaźnik zawartości związków organicznych w wodzie.

Przewodność elektryczna - jest wywołana obecnością jonów powstałych w wyniku dysocjacji rozpuszczonych soli oraz amoniaku i dwutlenku węgla. Jednostką przewodności jest S/cm (μS/cm). Przewodność elektryczna należy podawać dla temperatury 20°C. Może być podstawą oceny umownego stężenia NaCI wg zależności:

1 μS/cm = 0,55 mg NaCI/dm3

WYMAGANIA DOTYCZĄCE JAKOŚCI WODY PRZEZNACZONEJ DO SPOŻYCIA PRZEZ LUDZI

Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 7 grudnia 2017 r. (Dz.U. 2017 poz. 2294)

Wymagania mikrobiologiczne, jakim powinna odpowiadać ciepła woda, minimalna częstotliwość pobierania próbek ciepłej wody oraz procedury postępowania w zależności od wyników badania bakteriologicznego ¹⁾

¹⁾ Należy badać w próbkach wody ciepłej pobranych w przedsiębiorstwach podmiotu wykonującego działalność leczniczą w rodzaju stacjonarne i całodobowe świadczenia zdrowotne i w budynkach zamieszkania zbiorowego oraz w budynkach użyteczności publicznej, w których w trakcie ich użytkowania wytwarzany jest aerozol wodno-powietrzny.

²⁾ Wartość parametru dotyczy przedsiębiorstw podmiotu wykonującego działalność leczniczą w rodzaju stacjonarne i całodobowe świadczenia zdrowotne, w których przebywają pacjenci o obniżonej odporności, w tym objęci leczeniem immunopresyjnym.

WSKAŹNIKI JAKOŚCI WODY W INSTALACJACH CENTRALNEGO OGRZEWANIA 

WYMAGANIA JAKOŚCI WODY OBIEGOWEJ W KOMORACH Z POWIERZCHNIAMI ZRASZANYMI

 Zródło: Redakcja naukowa Jacek Nawrocki - Uzdatnianie wody Procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne Część 2 - Wydawnictwo Naukowe UAM, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2010