Wysokoefektywne metody oczyszczania wody - ebook

Przedmowa

Woda jest substancją wszechobecną, warunkującą istnienie życia, tworzy 60–80% masy żywych organizmów. Dlatego jej jakość decyduje o tym, jacy jesteśmy. Zawarte w niej mikro- i makrozanieczyszczenia mają wpływ na rozwój organizmów żywych, mogą zmieniać ich cechy, samopoczucie, bezwarunkowe reakcje. Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem, dlatego praktycznie nie występuje w czystej postaci ‒ w zależności od rodzaju i ilości rozpuszczonych substancji wykazuje właściwości lecznicze, korozyjne czy toksyczne. Woda może być skażona bakteriologicznie. W procesach oczyszczania ‒ w wyniku utleniania i dezynfekcji zawartych w niej substancji, nawet nieszkodliwych ‒ często są generowane nowe, niebezpieczne związki kancerogenne i mutagenne. Niektóre mikrozanieczyszczenia nie są usuwane w klasycznych układach technologicznych oczyszczania, pozostają w zamkniętym obiegu wodnym. Dlatego pijąc wodę, zastanawiamy się nad jej czystością. Zdajemy sobie sprawę z konieczności ochrony i utrzymania jej dobrej jakości.

Tradycyjne metody oczyszczania, np. mechaniczne, są niewystarczające. Metody chemiczne, biologiczne generują nowe zanieczyszczenia, które też muszą być usuwane. Dlatego nowoczesne układy technologiczne są złożone z wielu procesów jednostkowych. Coraz częściej są stosowane metody katalityczne, elektroliza, flotacja, sorpcja czy procesy membranowe.

W książce Czytelnik znajdzie materiał już znany, ale także nowy, dotychczas niepublikowany, skromnie opisywany lub pomijany w polskiej literaturze dotyczącej oczyszczania wody. Przedstawione są w niej m.in. metody katalityczne, flotacja, ele­ktroliza, fluorowanie wody. Są już znane w przemyśle chemicznym czy wydobywczym, w oczyszczaniu wody mają jednak inne znaczenie. I tak np. flotacji wzbogacającej urobek mineralny nie można utożsamiać z flotacją stosowaną do oczyszczania wody. Proces jest ten sam, ale stosowane są inne flotowniki, reagenty, wartości parametrów techniczno­-technologicznych. W książce są również opisane zagadnienia związane z usuwaniem substancji organicznych, w tym mikrozanieczyszczeń, a także związków nieorganicznych, metali lekkich i ciężkich, pierwiastków promieniotwórczych. Podkreślone jest znaczenie potencjału dzeta i hydroksokompleksów w różnych procesach usuwania zanieczyszczeń, szczególnie w koagulacji, sorpcji, katalizie i flotacji. Przedstawione są przykłady obliczeń doboru wybranych urządzeń procesowych oraz wartości ich parametrów techniczno-technologicznych. Opisany jest problem fluoro­zy i fluorowania wody. Fluorowanie wody pitnej, prowadzone w wielu krajach od 1945 r., ma swoich zwolenników i przeciwników, wciąż jest przedmiotem dyskusji w szerokich gremiach naukowych. Czytelnik studiując książkę, pozna więc zalety fluoro­wania wody pitnej, warunki prowadzenia procesu, jak również wady i zagrożenia wynikające z nadmiernego kontaktu organizmu z fluorem.

Mam nadzieję, że Czytelnicy znajdą w tej pracy odpowiedzi na różne pytania, a także podstawową wiedzę niezbędną do poszerzania jej w zakresie prezentowanych tematów.

Anna M. Anielak

Politechnika Krakowska5 Układy technologiczne oczyszczania wody

Woda oczyszczana w zakładach uzdatniania wody (ZUW) jest ujmowana z cieków podziemnych lub powierzchniowych. W zależności od rodzaju wody (podziemna, infiltracyjna, powierzchniowa) i jej składu jakościowo-ilościowego do oczyszczania i uzdatniania wody są stosowane różne procesy jednostkowe i układy technologiczne.

5.1. Wody podziemne i infiltracyjne

Ogólnie jest stosowana zasada, że należy ujmować takie wody, dla których można zastosować układ technologiczny ekonomiczny i sprawdzony. Dlatego uzdatniane wody podziemne i gruntowe najczęściej charakteryzują się nadmierną ilością żelaza i manganu, rzadziej jonów amonowych, sporadycznie ołowiu czy arsenu. Substancje organiczne (głównie humusowe) zawierają wody infiltracyjne, będące w pobliżu bagien i torfowisk oraz płytkie wody mioceńskie (formacji brunatno-węglowej). Substancje humusowe mogą tworzyć z żelazem i manganem kompleksy nadające wodzie barwę, często trudną do usunięcia. Wody podziemne najczęściej charakteryzują się brakiem zawiesiny, cząstek koloidalnych – są klarowne, również nie są skażone bakteriologicznie. Układy technologiczne stosowane do uzdatniania wody podziemnej są zazwyczaj proste .

Pierwszym węzłem układu technologicznego jest napowietrzanie, którego celem jest natlenienie i usunięcie z wody rozpuszczonych gazów. Następnie woda jest poddawana filtracji na złożach piaskowych (kwarcowych) lub z aktywnymi masami katalitycznymi, ułatwiającymi usuwanie Mn(II) i Fe(II). Masy aktywne eliminują dotychczas stosowane utlenianie chemiczne (np. chlorowanie) lub alkalizowanie wody. Ostatecznym procesem jest dezynfekcja, która nie zawsze jest stosowana w ZUW. Gdy wody są podziemne, pozbawione mikroorganizmów, a sieć wodociągowa jest krótka i nie ma niebezpieczeństwa wtórnego jej skażenia, może być traktowana jak woda źródlana, która po filtracji jest butelkowana. Na przykład w wielu zakładach województwa zachodniopomorskiego, woda od wielu lat jest dezynfekowana okresowo i dotychczas nie stwierdzono jej wtórnego skażenia w sieci wodociągowej.

Proste układy technologiczne stosowane do uzdatniania wody o nadmiernej ilości żelaza i manganu przedstawiono schematycznie na rys. 5.1. Wody o znacznej zawartości żelaza (> 8 mg/l), po napowietrzaniu, należy poddać procesowi sedymentacji w celu usunięcia z nich strącającego się osadu wodorotlenku Fe(III). Wody podziemne o nadmiernej twardości mogą być zmiękczane. Proces ten jednak łączy się z dozowaniem do wody reagentów chemicznych i rozbudową układu technologicznego (rys. 5.2).

Rys. 5.1. Układy technologiczne stosowane do uzdatniania wody z nadmierną ilością żelaza i manganu: 1 – ujęcie wody, 2 – napowietrzanie, 3 – filtracja, 4 – dezynfekcja, 5 – sedymentacja; a), b) stężenie Fe_(og) < 8 mg/l; c) stężenie Fe_(og) > 8 mg/l

Rzeczywisty układ technologiczny oczyszczania wody podziemnej o nadmiernej zawartości Fe(II) i Mn(II), pracujący w ZUW w Koszalinie przedstawiono na rys. 5.3. Układ ten składa się z aeratorów z pierścieniami Palla (1), otwartych filtrów grawitacyjnych pracujących w układzie równoległym. Filtry (2) są stosowane do usuwania żelaza, a filtry (3) do usuwania manganu. Woda popłuczna, z płukania filtrów, jest kierowana do osadnika zewnętrznego (5), w celu wysedymentowania osadu wodorotlenków metali. Sklarowana woda popłuczna jest odprowadzana kanalizacją do miejskiej oczyszczalni ścieków.

Rys. 5.2. Uzdatnianie wody podziemnej o dużej twardości: 1 – ujęcie, 2 – napowietrzanie, 3 – szybkie mieszanie, 4 – wolne mieszanie (komora flokulacji), 5 – sedymentacja, 6 – stabilizacja wody ditlenkiem węgla, 7 – filtracja, 8 – dezynfekcja

Rys. 5.3. Schemat technologiczny stacji uzdatniania wody w Koszalinie: 4 – zbiornik czystej wody, reszta opisu w tekście

Rys. 5.4. Układy technologiczne stosowane do uzdatniania wód infiltracyjnych: a) 1 – ujęcie, 2 – utlenianie, 3 – filtracja, 4 – złoże węglowe, 5 – dezynfekcja; b) 2 – napowietrzanie lub utlenianie chemiczne, 6 – mieszanie szybkie, 7 – mieszanie wolne, 8 – sedymentacja; c) 2 – utlenianie, 9 – filtracja kontaktowa

Rys. 5.5. Schemat ujmowania i technologii oczyszczania wody powierzchniowej i infiltracyjnej w ZUW Wasilków i Pietrasze: 1 – komora rozdzielcza, 2 – studnie infiltracyjne, 3 – stawy infiltracyjne, 4 – ozonownia, 5 – filtry kontaktowe, 6 – zbiornik wody czystej, 7 – chlorowanie, 8 – pulsatory, 9 – filtry pospieszne, 10 – filtry węglowe, P – pompownia

Wody infiltracyjne mogą zawierać substancje organiczne , które są prekursorami substancji kancerogennych i mutagennych, mogą być również skażone bakteriologicznie. Dlatego ich układy technologiczne są już bardziej złożone (rys. 5.4). Oczyszczanie wody infiltracyjnej w rzeczywistych układach technologicznych przedstawiono na rys. 5.5 i 5.6.

Rys. 5.6. ZUW w Warszawie – Wodociąg Centralny: 1 – ujęcie powierzchniowe, 2 – ujęcie infiltracyjne, 3 – osadnik, 4 – kanał grawitacyjny, 5 – pompownia wody surowej, 6 – komora rozdziału, 7 – zbiornik kontaktowy, 8 – komora dozowania reagentów, 9 – pulsatory, 10 – filtry pospieszne piaskowe, 11 – komora zbiorcza, 12 – zbiorniki retencyjne, 13 – zbiornik wyrównawczy, 14 – filtry pospieszne piaskowe, 15 – filtry powolne piaskowe, C_(ak) – węgiel aktywny

5.2. Wody powierzchniowe

Wody powierzchniowe pochodzą z rzek, jezior, zbiorników wodnych. Praktycznie wody te zawsze muszą być oczyszczane, zawierają substancje organiczne, są skażone bakteriologicznie . Często stosowanymi procesami są koagulacja i sorpcja . Wody powierzchniowe charakteryzują się podwyższoną barwą, mętnością, mogą zawierać zawiesinę. Wody te w zależności od kategorii (A1–A3) są poddawane różnym procesom oczyszczania, mechanicznym i chemicznym. Są to procesy, takie jak oczyszczanie na kratach, mikrositach, utlenianie, koagulacja, strącanie, sedymentacja, sorpcja, dezynfekcja itp. Na rysunku 5.7 przedstawiono prosty układ technologiczny, teoretycznie zalecany do oczyszczania wody powierzchniowej . W praktyce, rzeczywiste układy są rozbudowywane przez wiele lat eksploatacji ZUW, w zależności od wymagań i możliwości ekonomicznych zakładu. Na rysunkach 5.8–
–5.12 (kolorowa wkładka) przedstawiono rzeczywiste układy technologiczne stosowane do uzdatniania wody powierzchniowej dla Krakowa.

Rys. 5.7. Układ technologiczny do uzdatniania wody powierzchniowej o małej ilości zawiesiny: 1 – ujęcie, 2 – komora szybkiego mieszania, 3 – wolne mieszanie, 4 – sedymentacja, 5 – filtracja

Na rysunku 5.8 przedstawiono schemat układu technologicznego Zakładu Uzdatniania Wody „Bielany”. Zakład jest zlokalizowany w rejonie rzek Wisły i Sanki. Od wielu lat nie korzysta się z wody wiślanej, a jedynym źródłem zaopatrzenia jest Sanka. Zakład zaopatruje w wodę południowo-zachodnią część Krakowa i część Śródmieścia. Maksymalna ilość wody z tego zakładu, która może być podana do sieci wynosi ok. 25 tys. m³/dobę i zależy od warunków wodonośnych w gruncie, poziomu przepływu wody w rzece Sance i od jej jakości. Średnia wydajność zakładu wynosi 12–18 tys. m³/dobę. Ujęcie brzegowe znajduje się w ujściowym odcinku rzeki Sanki, a woda jest ujmowana przez jaz spiętrzający, przepływa przez kraty, piaskownik i jest doprowadzana do studni zbiorczej, gdzie znajdują się pompy służące do przepompowania wody surowej do osadnika gruntowego lub bezpośrednio na filtry powolne. Woda z osadnika może być również rozprowadzana grawitacyjnie do 11 basenów infiltracyjnych (filtry powolne). Całkowita powierzchnia basenów infiltracyjnych wynosi 71 680 m². Filtry powolne filtrują wodę surową poprzez naturalne złoże filtracyjne do warstw wodonośnych. Obok basenów infiltracyjnych jest usytuowanych 96 studni ujmujących wodę ze złoża wodonośnego. Studnie są połączone trzema ciągami lewarów – południowym, środkowym i północnym. Lewary doprowadzają wodę przefiltrowaną do pompowni głównej. Woda z lewarów jest przepompowywana do 2 studni zbiorczych. Pobierana ze studni zbiorczych woda jest dezynfekowana elektrolitycznie generowanym NaClO, a następnie jest tłoczona do 3 zbiorników wody pitnej .

Układ technologiczny Zakładu Uzdatniania Wody „Dłubnia” (rys. 5.9) ma ujęcie wody surowej na rzece Dłubni w Raciborowicach. Woda jest ujmowana przy jazie piętrzącym, przepływa przez sito hydrodynamiczne do studni zbiorczej, następnie do 3 osadników wstępnych, skąd dalej płynie rurociągiem grawitacyjnym do pompowni w Zesławicach. Na ujęciu jest usytuowana stacja osłonowa badająca, w trybie „on-line” parametry wody. Zadaniem pompowni Zesławice jest tłoczenie wody do zakładu uzdatniania w Krzesławicach. W zakładzie uzdatniana woda jest wprowadzana do trzech komór szybkiego mieszania, do których są dozowane koagulant oraz aktywny węgiel pylisty. Następnie woda wpływa grawitacyjnie do 5 podwójnych komór wolnego mieszania, gdzie może być dodawany polielektrolit i manganian(VII) potasu. Z komór wolnego mieszania woda przepływa do osadników pokoagulacyjnych, gdzie następuje strącanie się osadów koagulacyjnych. Z osadników woda rurociągiem płynie do budynku filtrów, tam jest filtrowana na filtrach piaskowych pospiesznych. Z filtrów uzdatniona woda płynie do zbiorników wody pitnej. Po drodze poddaje się ją dezynfekcji za pomocą tlenku chloru(IV), otrzymywanym z chloranu(III) sodu i kwasu solnego .

Kolejnym dużym Zakładem Uzdatniającym Wodę dla Krakowa jest „Rudawa” (rys. 5.10). Zakład Uzdatniania Wody „Rudawa”, który ujmuje i uzdatnia wodę z rzeki Rudawy, ma obecnie zdolność produkcyjną Głównym ujęciem wody dla zakładu jest jaz w Szczyglicach, skąd spiętrzona woda w ilości ok. jest doprowadzana do dwóch stawów osadowych. W stawach osadowych woda jest koagulowana i są strącane osady. Koagulacja jest prowadzona okresowo, gdy rzeką płynie woda o dużej mętności. Na doprowadzalniku (w Młynówce) jest zamontowane sito samoczyszczące, zbierające nieczystości niesione przez wodę. Ze stawów osadowych woda wpływa do dwóch zbiorników retencyjnych, których powierzchnia wynosi 36 ha, a całkowita objętość Ze zbiorników retencyjnych woda odpływa rurociągami długości 2,5 km do ZUW. Na terenie zakładu uzdatniania woda jest ujmowana do dwóch studni zbiorczych. Ze studni zbiorczej dwa zestawy pomp tłoczą wodę do czterech komór mieszaczy szybkich, wyposażonych w mieszadła szybkoobrotowe z płynną regulacją obrotów. Z każdego mieszacza szybkiego woda przepływa do komór powolnego mieszania. Koagulanty są dozowane do wody surowej tuż przed dopływem do komór mieszaczy szybkich. Z 8 komór powolnego mieszania skoagulowana woda przepływa do 8 komór osadnika, w których następuje zasadniczy proces sedymentacji zawiesiny. Pozbawiona w znacznym stopniu zawiesiny woda z komór osadnika wpływa na 12 filtrów pospiesznych piaskowych. Każda z komór filtracyjnych ma powierzchnię ok. Przefiltrowana przez filtry piaskowe woda jest przepompowywana poprzez pompownię pośrednią do 6 filtrów węglowych. Przefiltrowana woda przed wpły­nięciem do zbiorników kontaktowych wody pitnej jest dezynfekowana tlenkiem chloru(IV). Jest on wytwarzany z mieszaniny składającej się w 25% z chloranu(III) sodu, w 32% z kwasu solnego i z wody. Dawki tlenku chloru(IV) są ustalane na podstawie badań laboratoryjnych i wskazań ciągłego układu pomiarowego wody przepływającej z filtrów. W dwóch zbiornikach kontaktowych o pojemności każdy, następuje mieszanie wody przefiltrowanej z tlenkiem chloru(IV). Uzdatniona woda przepływa do dwóch studni zbiorczych wody pitnej .

Zbiornik Dobczycki utworzony na rzece Rabie w Dobczycach jest największym źródłem wody dla aglomeracji krakowskiej. Woda surowa jest pobierana ze zbiornika przez ujęcie wieżowe (3 różne poziomy poboru), a następnie jest tłoczona do Zakładu Uzdatniania Wody „Raba”. Woda surowa napływa do dwukomorowego zbiornika kontaktowego, w którym jest ozonowana. Dalej woda dopływa do komory mieszania, gdzie jest dawkowany koagulant. Z komory mieszania woda dopływa do dwóch ciągów technologicznych „RABA I” oraz „RABA II”. W ciągu technologicznym „RABA I” woda wraz z chemikaliami przepływa przez mieszacze I, II i III rzędu, następnie wpływa do komór wirowych, gdzie rozpoczyna się proces koagulacji. Dalszym etapem są osadniki pokoagulacyjne, w których następuje osadzanie się zawiesiny. Woda po osadnikach dopływa do filtrów pospiesznych. Przefiltrowana woda jest kierowana do 2 zbiorników wody uzdatnionej o pojemności 3000 m³ każdy. W ciągu technologicznym Raba II z komory mieszania woda dopływa do 4 akcelatorów, gdzie zachodzi proces koagulacji. Zgromadzony w nich osad jest zgarniany i odprowadzany do zagęszczaczy osadu, a woda z akcelatora odpływa do filtrów piaskowo-antracytowych. Po filtrach woda dopływa do 2 zbiorników wody uzdatnionej. Ze zbiorników Raba I i Raba II woda jest tłoczona dwoma rurociągami poprzez komory dezynfekcji (woda dezynfekowana jest za pomocą lamp UV i elektrolitycznie generowanym chloranem(I) sodu) do 3 zbiorników Gorzków . Jakość wody uzdatnionej w poszczególnych ZUW przedstawiono w tab. 5.1.

Oceniając jakość wody dostarczanej mieszkańcom Krakowa w 2013 roku, należy stwierdzić, że dla wszystkich parametrów spełniała ona wymogi Rozporządzenia Ministra Zdrowia z dnia 29.03.2007 r., w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz.U. z 2007 r. Nr 61, poz. 417) oraz Rozporządzenia Ministra Zdrowia z dnia 20 kwietnia 2010 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi ((Dz.U. z 2010 r. Nr 72, poz. 466). Jakość wody spełnia również wymagania Dyrektywy Rady Unii Europejskiej 98/83/EC z dnia 03.11.1998 r. o jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi oraz Zaleceń Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) dotyczących jakości wody przeznaczonej do spożycia (Guidelines for drinking-water quality, Vol. 1, Recommendations. wyd. 3, 2008).

Bezpośredni nadzór nad jakością wody sprawuje Centralne Laboratorium, które ma akredytację Polskiego Centrum Akredytacji (nr AB 776). Laboratorium Centralne MPWiK SA Kraków spełnia wymagania normy PN-EN ISO/IEC 17025:2005. Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących oraz ma zintegrowany system zarządzania zgodny z normami PN-EN ISO 9001:2008 oraz PN-EN ISO 14001:2004.