VÍZTISZTÍTÁS, ÜZEMELTETÉS Vas és Mangán eltávolítása (2. feladat) SZIE Mezőgazdaság- és Környezettudományi Kar KLING ZOLTÁN Gödöllő, 2012.02.15. 2011/2012. tanév 2. félév
Települési vízgazdálkodás rendszere Vízbázisok Vízszerzés Víztisztítás Vízelosztás Befogadó Szennyvíztisztítás Előkezelés (opcionális) Ipari vízfelhasználók Mezőgazdasági vízfelhasználók Lakossági vízfelhasználók
Vízbeszerzési lehetőségek Felszínalatti víz Talajvíz Mélységi (réteg)víz Karsztvíz Parti szűrésű víz Felszíni víz Folyó Tó Tározó Öntözőcsatorna
Magyarország - vízbázisok A vízkivétel jelentős része felszín alatti vízbázisból történik (94,1%), ezen belül a mélységi vizek (42,3%) és a parti szűrésű vízbázisok (42%) a legjelentősebbek. a karsztvíz 11,9%-al részesedik, míg a talajvíz aránya mindössze 2.9%.
Ivóvízzel szembeni elvárások Színtelen Szagtalan Kellemes ízű Hőmérséklete: 8 12 C Ne tartalmazzon kórokozó mikroorganizmusokat, mérgező anyagokat, lebegőanyagot, vagy egyéb zavarosságot okozó anyagot, kellemetlen szagot vagy ízt okozó anyagot. Ne legyen nagy a sótartalma Ne legyen nagy a szerves-anyag tartalma
Követelmények, szabályozások Szabályozás ajánlás szabvány Kiterjedés szerint globális (világméretű), WHO Guidelines (Az Egészségügyi Világszervezet ajánlásai) Regionális, EU Direktívák (Szabvány) Országos szabványok Szabványok az egyes komponensek maximálisan megengedhető koncentrációit (MAC érték) határozzák meg. Az adott határértékek rendszeresen felülvizsgálatra kerülnek!
Követelmények, szabályozások Országos szabványok Magyar Szabvány (MSz) MSz 445 1978 MSz 445-1989 201/2001. sz. Korm. Rendelet (2001. október 25.) Módosítás: 47/2005. sz. Korm. Rendelet (III. 11.) 65/2009. sz. Korm. Rendelet (A módosítás csak a települések besorolását érintette) A 70-es és a 80-as években a hazai ivóvízszabvány kialakításakor a WHOirányelveit vették figyelembe. Az EU csatlakozásmiatt azonban a 90-es évek második felétől már az EU Directives váltak irányadóvá. Az EU Directives átvétele jelentős változást okozott a hazai ivóvízszabvány teljesíthetőségében. Külön problémát okoz ennek következtében az arzén, az ammónium ion a vas-ésa mangán.
Felszín alatti vizek szennyezőanyagai (természetes eredetű) komponens vas (Fe 2+ ) és mangán (Mn 2+ ) arzén (As 3+ ) (mélységi vizekben) Agresszív CO 2 (mélys.vizekben) metán (CH 4 ) gáz (mélys. vizekben) negatív hatás zavarosság, szín, szag, kellemetlen íz lerakódást okoz a vezetékekben rákkeltő csővezetékek korróziója robbanásveszély
Felszín alatti vizek szennyezőanyagai 2. (természetes eredetű) komponens Ammónium (NH 4+ ) Nitrát (NO 3- ) és Nitrit (NO 2- ) (talajvízben) Oldott O 2 hiánya, H 2 S (mélységi víz) Szerves anyag negatív hatás fertőtlenítés hatékonyságának csökkent. átalakulhat: NO 3- vagy NO 2 - a vér oxigénfelvételét a nitrit akadályozza (NO 2- ) kellemetlen szag káros melléktermékek képződése a fertőtlenítés alkalmával a vezetékekben biofilm képződése
Felszín alatti vizek szennyezőanyagai 3. (természetes eredetű) komponens Keménység (Ca 2+, Mg 2+ ) lerakódások negatív hatás magas sótaratalom, magas hőmérséklet (mélységi vizek)
Felszín alatti vizek szennyezőanyagai 4. (emberi eredetű) Komponens Ammónium (NH 4+ ) Negatív hatás fertőtlenítés hatékonyságának csökkent. átalakulhat: NO 3- vagy NO 2 - Nitrát (NO 3- ) és Nitrit (NO 2- ) Patogén és egyéb mikroorganizmusok Szerves és szervetlen mikroszennyezők a vér oxigénfelvételét a nitrit akadályozza (NO 2- ) a patogén mikroorganizmusok járványt okoznak toxikusak
Vas és mangán Korábbi határértékek: Vas 0,2 mg/l Mangán 0,1 mg/l Cseppfolyós határérték- Fe+Mn 0,3 mg/l Jelenleg érvényes határértékek: Vas 0,2 mg/l Mangán -0,05 mg/l
A nem-kívánatos komponensek eltávolítására vonatkozó fontossági sorrend Kórokozó mikroorganizmusok Mérgező anyagok Mikroszennyezők Zavarosságot okozó anyagok (lebegőanyag, alga) Prekurzorok (elővegyületek) Íz- és szagrontó anyagok
Technológiai alapfolyamatok ph és pufferkapacitás szabályozás Fázisszétválasztás (gáz-folyadék, szilárd-folyadék) Kémiai kicsapás (Derítés) Adszorpció (Gázbevitel) Oxidáció és redukció Egyéb eljárások (membránfolyamatok)
ph és pufferkapacitás szabályozás ph szabályozás szerepe számos ivóvíztisztítási lépés esetében jelentős (a hatékonyság változik a ph függvényében) Példák: fertőtlenítés, koaguláció-flokkuláció A víz pufferkapacitása: HCO 3 - és CO 3 2- ionok mennyisége befolyásolja, lényegében a víz sav-semlegesítő képességére utal
Szilárd/folyadék fázisszétválasztás Szilárd anyagok eltávolítása: durva és finom részecskék eltávolítása Durva fázisszétválasztás: Gerebszűrés Makroszita szűrés Mikroszita szűrés Homokfogó Ülepítés Flotálás Finom fázisszétválasztás: Gyorsszűrés Szűrés előtt a kolloid, kvázi-kolloid részecskéket szűrhető formára kell hozni (pl. kémiai kicsapatással)
A tisztítás elve Az egymást követő tisztítási műveletekkel egyre finomabb szennyezőanyagok távolíthatók el. Először a durva (pl. úszó ág, falevél). Majd a kisebb méretű (pl. homok, kolloid részecskék). Végül az oldott anyagok távolítandók el.
A tisztítás elve
Gyors fázisszétválasztás: GEREBSZŰRÉS
Gyors fázisszétválasztás: MAKROSZITA SZŰRÉS
Gyors fázisszétválasztás: MIKROSZITA SZŰRÉS
Gyors fázisszétválasztás: MIKROSZITA SZŰRÉS
Gyors fázisszétválasztás: ÜLEPÍTÉS ω 0 = H 0 / t = Q / S Ha az ülepedési sebesség kisebb mint ω 0 (pl. ω 1 ), akkor a pehely nem tud t idő leülepedni A méretezés alapja: a vízhozam és a keresztmetszeti terület hányadosa
Gyors fázisszétválasztás: HOMOKFOGÓ
Gyors fázisszétválasztás: ÜLEPÍTÉS HOSSZANTI ÁTFOLYÁSÚ ÜLEPÍTŐ KÖR ALAPRAJZÚ ÜLEPÍTŐ
Gyors fázisszétválasztás: ÜLEPÍTÉS LEBEGŐ ISZAPFELHŐS ÜLEPÍTŐ
Gyors fázisszétválasztás: FLOTÁLÁS
Finom fázisszétválasztás (szűrés) A szűrés során a vízben található pelyheket, csapadékokat és egyéb szilárd szennyezőket tudjuk eltávolítani. Felszíni vizek esetén a nagy lebegőanyagtartalom miatt a szűrést gyakran megelőzik a durva szilárd-folyadék fázisszétválasztási technológiák, Mélységi vizek esetében azonban gyakran a szűrés az egyedüli szilárd-folyadék fázisszétválasztást szolgáló technológiai lépés. A szűrőknek alapvetően két nagy csoportját különböztetjük meg: nyitott zárt. Nagyobb vízhozamok esetén, amikor túl sok zárt szűrőt kellene alkalmazni, a nyitott szűrő gazdaságosabb megoldás lehet. A nyitott szűrők helyszínen készülő beton műtárgyak, a zárt szűrők készen kapható tartályok.
Finom fázisszétválasztás Változó szintű szűrő
Finom fázisszétválasztás Állandó szintű szűrő
Finom fázisszétválasztás A zárt szűrők alkalmazása kisebb vízműveknél általában gazdaságosabb megoldás. A zárt szűrők lehetnek egy-, vagy kétrétegűek. A kettős réteg alkalmazásának két oka lehet: A felső réteg nagyobb szemcseméretű (2-3 mm) homokot tartalmaz, így itt a nagyobb méretű szennyezők eltávolítása történik meg, majd ezt követi egy finomabb (1-2 mm) homokréteg, ahol már a kisebb méretű szennyezőket el lehet távolítani. A kettős réteg kialakításának másik oka a bedolgozott szűrőréteg kialakításának szükségessége. Erre akkor kerül sor, ha a víz mangánt és agresszív szén-dioxidot is tartalmaz.
Finom fázisszétválasztás Kétrétegű zárt gyorsszűrő
Gáz / folyadék fázisszétválasztás Gázok (metán, agresszív szén-dioxid) eltávolítása. A leggyakrabban alkalmazott eljárás: levegőztetés. A levegőztetés alkalmával a víz oxigénnel telítődik. Két folyamat játszódik le egyidejűleg: a gázok elhagyják a vízteret a redukált állapotú komponensek egy része oxidálódik a levegő oxigénjének hatására
Gázmentesítő
Kaszkádos levegőztetés
Kémiai kicsapatás Mi a kémiai kicsapatás? A vízben oldódó anyagok oldhatatlan állapotúvá alakítása (vegyszer hozzáadása, ph változtatás hatására) Ezután az adott szennyezőanyag valamilyen szilárd/folyadék szétválasztási technológiával eltávolítható a vízből 1. példa a kémiai kicsapatásra: A víz keménységének csökkentése vízlágyítás 2. példa a kémiai kicsapatásra: Koaguláció/flokkuláció
Koaguláció/flokkuláció A kolloid részecskék taszítják egymást (a negatív felületi töltés miatt) Fe és Al sók a negatív felületi töltéseket semlegesítik KOAGULÁCIÓ Szuszpendált kolloid részecske Al-hidroxid Fe-hidroxid komponensek A részecskék aggregálódásával egyre nagyobb pelyhek alakulnak ki FLOKKULÁCIÓ Kolloid részecskék aggregálódása
Koaguláció/flokkuláció
Adszorpció Mi az adszorpció? Gázok és oldott anyagok megkötődése szilárd anyagok felületén A vízkezelési technológiákban elsősorban az oldott anyagok, közöttük is a szerves anyagok fontosak Nagy szabad energiával rendelkező felületek képesek megkötni oldott anyagokat (fajlagos felület akár 1000-1200 m 2 /g is lehet) A gázok és az oldott anyagok szilárd felületen történő megkötődése, azaz adszorpciója reverzibilis, tehát megfordítható folyamat Adszorbens ahol az oldott anyag megkötődik Adszorptívum az az anyag, mely megkötődik az adszorbensen
Adszorpció Vízkezelésben alkalmazott adszorbensek: Zeolitok (ammónium eltávolítására) Ioncserélő műgyanták (vízlágyításra) Aktívszén (szervesanyag eltávolítására) GEH (arzén eltávolítására) Az ivóvízkezelésben esetenként a zeolitok alkalmazására is sor kerül, de elsősorban az aktívszén alkalmazása vált általánossá. Az aktívszén a vízkezelésben alapvetően a következő két formában használatos: Por alakban Granulátumként
Oxidáció és redukció Két párhuzamos, egyidejűleg lejátszódó folyamat Az oxidálószer redukálódik, miközben a redukálószer oxidálódik Ivóvíztisztításban az oxidáció célja: Valamely szennyezőt oldhatatlanná alakítsunk A szennyező kevésbé toxikus formává alakítása Mikroorganizmusok inaktiválása (fertőtlenítés) Oxidáció hatására a technológia során könnyebben eltávolíthatóvá válik (pl. As(III) As(V)) Ivóvíztisztításban használt oxidálószerek: oxigén, ózon, klór, kálium-permanganát, klór-dioxid, klóraminok,
Egyéb eljárások (membránfolyamatok) Membrán technológiák: Mikroszűrés Ultraszűrés Nanoszűrés Fordított ozmózis Elektrodialízis Membránszűrés a szennyezőanyag elválasztása Szennyező (magas koncentrációban) Permeátum (a membránon keresztüljutott víz)
Ozmózis Ozmózis: A membrán-réteg a víz számára átjárható, azonban a szennyezőanyag számára nem. Mivel a két tartályban a koncentráció-kiegyenlítődés irányában mennek a folyamatok a víz a B tartályból az A tartályba áramlik, amíg a nyomásviszonyok azt megengedik.
Fordított ozmózis Fordított ozmózis: az ozmózissal ellentétes folyamat: nyomás hatására a folyadék az A tartályból a B-be áramlik; a szűrt víz (permeátum) a B tartályból összegyűjthető.
Vas és mangán eltávolítása Vas és mangán eltávolítása először oxidálni kell ezeket a komponenseket. Miért kell eltávolítanunk a vasat és a mangánt? Zavarosság, szag, szín, kellemetlen íz. Hálózatban problémákat okozhat a vasiszap lerakódása. Hogyan tudjuk eltávolítani? 1. lépés: oxidáció Mn(II) Mn(IV) Fe(II) Fe(III) 2. lépés: szilárd/folyadék fázisszétválasztás
Vas, mangán és oldott gázok eltávolítása (felszín alatti víz kezelési séma) Levegő injektálás klórozás Tisztított víz medence Fe oxidáció Fe eltávolítás tározó víz Csökkentett átmérő Nyomás alatti (zárt) levegőztetés Oxigén injektálás
Vas, mangán és oldott gázok eltávolítása (felszín alatti víz kezelési séma) gázmentesítés Fe oxidáció Fe eltávolítás tározás
Tisztítástechnológia magas vastartalom (Fe > 5 mg/l) és nagy vízhozam esetén (nyitott szűrők) Fe oxidáció gázmentesítés Fe eltávolítás tározás