VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK 3.2 Fizikai vízelőkészítés az alkímia és a korszerű technika határán Tárgyszavak: fizikai vízelőkészítés; alkímia, foszfátozás. Vegyünk egy speciálisan megformázott könnyűfém öntvényt, helyezzük fel a vízvezetékre és többet nem kell bosszankodnunk a cső vízkövesedése vagy korróziója miatt. Ilyen és hasonló ajánlatok olvashatók a fizikai elven működő vízelőkészítő berendezések reklámszövegeiben. Az alábbiak a vízelőkészítés történetét és jelenlegi helyzetét tekintik át. A víz mint heterogén anyag A víz eredete szerint lehet talajvíz, amelyet szivattyúval hoznak a felszínre és szállítanak el a tengerekből és a folyókból származó felszíni víz (ide sorolható a parti szűrlet is, amelynél a homokos altalaj szűrő hatása tisztítja a vizet) ásványianyag-tartalmú forrásvíz, amelyet még a tengerbe vagy a folyóba ömlése előtt kinyernek. Nagy ásványianyag-tartalma miatt ásványvízként étkezési célra is palackozzák a vízszegény térségekben a mészkövet nem tartalmazó, de nagy kloridtartalmú tengervizet is feldolgozzák. A víz összetétele az alábbiak szerint alakul: A víz lehet nagy mésztartalmú (kemény víz) vagy mészben szegény (lágy víz). A mész felelős a csövek falán keletkező, kazánkőnek nevezett mészréteg képződéséért. A mészréteg a cső falán egyenletesen kialakulva zárt védőréteget képez a korrózió ellen, egyenlőtlenül növekedve viszont korróziós folyamatok kiindulási pontja lehet. Korrozivan hatnak a cső anyagára a vízben jelen levő kloridok, szulfátok, valamint a szénsav. A vízkeménység az ivóvízként és hűtővízkénti alkalmazás során fontos minőségi paraméter. Előfordul, hogy a 30 német keménységi fokú víz (1 német keménységi fok = 10 mg CaO) és a kazánkőképződés savas, 6,8 értékű ph-t okoz. Ez a víz ipari célra is csak kezelés után alkalmazható. Vízhiány esetén azonban ezt a vizet is felhasználják.
Tartalmazhat természetes szerves anyagokat (pl. huminsavak), amelyek mennyisége évszakfüggő. Eltávolításuk nem feltétlenül szükséges, de a vizet higiéniai okokból klórozni kell. A klórozás során egészségre ártalmas, szerves halogénvegyületek keletkeznek, ezért klórozni csak akkor célszerű, ha a természetes vizek valóban fertőzöttek. Gyakran tartalmaz nehézfémeket (vas, mangán). A víz levegőztetésekor három vegyértékű, oldhatatlan hidroxidok keletkeznek és a víz barna elszíneződése eltűnik. Kritikus a réztartalom, mert a csőfalon történő cementálódásnál korróziót okoz. A vízellátás fejlődése A víz létfontosságú az emberek számára, ezért életük függővé vált a víztől. A folyók és a tengerek közelében telepedtek le, ahol a víz egyben szállítási útvonalul is szolgált. Megtanulták a talajvíz szivattyús kivételét. A településsűrűség növekedésével a vizet egyre nagyobb távolságokra kellett szállítani. Nehézséget jelentett az ivóvíz és az egészségügyi célokat szolgáló víz előállítása. 4500 évvel ezelőtt Krétán az épületekben már építettek vízvezetéket agyagcsövekből. A Biblia szól a még ma is meglévő, Hiskia uralkodása idejében épült jeruzsálemi vízellátó rendszerről. Az ókori jordániai Petra városának csatornái és a római vízelvezetői az ókori mérnökök tudását dicsérik. Ezekben a rendszerekben természetes építőanyagokat (kő, agyag) alkalmaztak, a korrózió nem játszott szerepet és a víz ivóvíz minőségű volt. Később a vízigény alakulását a városiasodás és az iparosodás határozta meg. A többszintes építményekhez a vizet szivattyúval kellett szállítani, a kézi vízhordás kiküszöbölése érdekében. A 19. század közepén Berlinben fagyökérből készült csöveket alkalmaztak, amelyeket ólom csődarabokkal kötöttek össze. A technika fejlődésével előtérbe került a vas- és az acélcső alkalmazása, amelyet azonban a víz korrodeált, illetve lerakódások képződtek a felületén. A cső horganyzásával a korrózió gátolható, azonban a cink is korrodeálódik és a kazánkőképződés nem akadályozható meg. A központi ivóvízellátó rendszereknél a víz korróziót és a lerakódásokat okozó tulajdonságait ki kell küszöbölni, vagy más vízforrást kell alkalmazni. Ugyanez érvényes az ipari vízre is, ahol gyakran alkalmaznak gyengébb minőségű vizet. A víz okozta korrózió Korróziót okozhat a cső falán az oxigén jelenléte és a csőfalon található lerakódások. Egyenletes mészréteg kialakulása a csőfalnak több éven át tartó védelmet biztosít, míg az egyenetlen, porózus vagy heterogén réteg korróziós veszélyforrás lehet, és víz jelenlétében korrózió alakulhat ki. A horganyzott csőfelületek anódként is működnek. Miután a cink 20 mg/nap mennyiségben
létfontosságú elem az emberek számára, a cinktartalmú korróziós termékek nem károsítják az egészséget. A korrózió kialakulását befolyásoló tényezők az alábbiak: A víz hőmérséklete, 10 o C-os hőmérséklet-különbség a korrózió sebességének a megkétszereződését okozza. Bizonyos hőmérsékletérték felett (pl. a forró vizes rendszereknél alkalmazott horganyzott csővezeték-rendszerek esetében) a korrózió megfordulhat, ezért itt gyakran kerül sor rézcső alkalmazására. A víz áramlási sebessége, amely befolyásolja a részecskék szállításának a sebességét és ezáltal az erózió kialakulását. A víz lamináris áramlását befolyásolja a csőfal simasága. Ez érvényes a rendszertelen lerakódásokra és a csőhajlatokra, karimákra, szelepekre stb. Egy csődarab cseréjekor vagy egy szelep beépítésekor a felületi viszonyok megváltoznak, ami szintén befolyásolja az áramlást. Az áramlási sebesség a csőben. Sok esetben (pl. a háztartásokban) a vizet szakaszosan vételezik, ezért az áramlási sebesség gyakori ingadozásával kell számolni. Nyomóöblítés alkalmazásakor jelentős vízlökés keletkezik, ami a lerakódások felszakadásához vagy csőtöréshez vezet. Az üzemszünetek során (pl. éjszaka vagy hosszabb leállásokkor) szilárd anyagok rakódhatnak le, a korrózió során oldatba került vas a cső falán védőréteget képző hidroxid formájában kiválik. A megoldás: a víz előkezelése? A korrózió nemcsak a berendezéseket teszi tönkre, hanem előre nem látható meghibásodásokat okoz a teljes technológiai folyamatban, ezért szükséges a csővezetékek korrózióját tartósan és kedvező költséggel megakadályozni. Ugyancsak káros hatása van a csővezetékben a kazánkő képződésének. Az elmúlt évszázad közepe óta az iparban egyre elterjedtebben alkalmaznak műanyag csöveket (kezdetben ragasztott PVC, később hegesztett polietilén csövet). Az elasztikus tulajdonságú polietilén mechanikai tulajdonságai hidegben is stabilak, a PVC azonban 4 C alatt törékennyé válik. Az egykori NDK-ban a házakban gyakran építettek műanyag vezetéket. A műanyag csövek alkalmazhatósága azonban a korlátozott nyomásállóságuk miatt a melegvízellátásban korlátozott. Az iparban felhasználásra kerülő víz általában rossz minőségű, ezért felhasználása előtt kezelni kell. Ennek lehetőségei az alábbiak: vízlágyítás (a Ca-ionokat Na-ionokra cserélik ki, a kazánkőképződés megakadályozása érdekében); sómentesítés ioncserével, az anionok és a kationok cseréjére egyaránt sor kerül, sómentes víz keletkezik (a berendezés ráfordítási költségei és karbantartási igénye nagy);
inhibitorok alkalmazása a korrózió megakadályozása érdekében. Savanyú víznél NaOH-t adagolnak semleges ph-érték beállítása érdekében. Ez nagyon pontos adagolást tesz szükségessé, mert különösen a kemény víznél a mész leválását eredményezheti. Inhibitorként foszfátok vagy szilikátok alkalmazhatók, amelyek hatása a felszínhez közeli tartományban a ph eltolódásán alapul. Bizonytalanok az adagolás körülményei: megkerülő vezetékbe kapcsolt adagoló zsilipeken át a szilárd formában szállított hatóanyag egy része az átfolyó vízben feloldódik. Heterogén vízfelhasználású, kis berendezések és ingadozó áramlási paraméterek esetén változó foszfát- és szilikátkoncentrációkkal kell számolni. Az ivóvíz esetében előírt adagolás a jelenleg alkalmazott rendszerekkel nem biztosítható, mert a leállások során nem zárható ki a túladagolás. Az automatizált, átfolyásfüggő adagolás mérésével és szabályozásával ezen inhibitorok alkalmazása az ipari berendezéseknél kevésbé kritikus. Figyelembe kell venni a csőanyag inhibitorral szembeni ellenálló képességét, mert az inhibitor töményebben adagolva agresszív hatású lehet (2%-os polifoszfát oldat beadagolása a cső kilyukadását is eredményezheti). Nagy vízmennyiség előkészítése hűtővizek esetében fontos. A talajvízből történő közvetlen hűtővízelvétel és az ehhez kapcsolódó elszivárgás az ún. negatív kutakban szemben áll azon követelménnyel, hogy a víz kémiailag ne változzon, azaz az inhibitorok mennyisége se legyen több 2 mg/l-nél. A fizikai vízelőkészítés története A víz minősége fizikai eljárásokkal kedvezően befolyásolható. Ismertek vizsgálati eredmények az egykori Szovjetunióból nagy teljesítményű elektromos mező kedvező hatásáról. A környezetvédők támogatják azokat a fejlesztéseket, amelyekben a vegyszeres vízkezelés helyett vegyszermentes kezelést alkalmaznak, kiküszöbölve ezáltal a toxikus anyag jelenlétének vagy képződésének a veszélyét. A hatás mechanizmusa kétséges, de az alkalmazás mellett szól a kedvező ár. A csővezetékben végbemenő változások nagyon lassúak. Csőtörések évtizedek múlva jelentkeznek, nem az építés utáni első öt évben, ezért a hatástalan készülékek esetében nem jelentkezik a garanciaigény. Ezt az alábbi példa mutatja: Az 1950-es években az Egyesült Államokban üzemelt egy két könnyűfém öntvénydarabból álló berendezés, amely a csőre megadott irányban felhelyezve megakadályozta a korrózió és a lerakódás kialakulását. Miután a hatásmechnizmust nem sikerült kimutatni, az eljárást csalásnak minősítették és pert indítottak az alkalmazása ellen. A hatástalanságot egy szakértői testület is megerősítette, az amerikai törvényszék azonban elvetette a szakértői
bizottság álláspontját mert több, mint 100 000 felhasználó hatékonynak minősítette a berendezést. Ezt a berendezést később Németországban is vizsgálták és megállapították a hatékonyságát. A berendezés a víz áramlási iránya ellenében működött. Miután megállapították, hogy a berendezés anyaga egy hagyományos alumíniumötvözet, a berendezést ebből az alapanyagból felépítették, de az újonnan épített berendezés hatástalannak bizonyult. Ismert egy elektrosztatikus elven működő berendezés is, amelynek a földeléséhez sodrott rézhuzalra volt szükség. Ezen berendezéssel kezelt forró víz esetében a főzőpohár falán mészlerakódást nem tapasztaltak, de mész vált ki a földeléshez használt rézhuzal erezetén. A fentiek alapján megállapítható, hogy a berendezések tényleges hatásának a kimutatása már laboratóriumban is nehézséggel jár, ezért alkalmazhatóságukat szakmai körökben különösen a vegyi úton ható inhibitorok előállítói körében már csak a konkurencia miatt is kételkedve fogadják. A berendezések hatékonyságának vizsgálata Átfogóan vizsgálták a jelenleg alkalmazott fizikai vízelőkészítő berendezéseket, ezen belül is kiemelten a kazánkőképződés megakadályozásának lehetőségeit a melegvíz-előkészítő rendszerekben. Egyes vizsgálatokat nyomásmentes környezetben, másokat 1,7 bar nyomáson és 85 90 C-kal magasabb hőmérsékleten hajtották végre. Az alábbi rendszerek vizsgálatára került sor: nem kezelt víz, mágneses, elektromos, sugárzás és diamagnetikus elven működő berendezések, a csőre felhelyezett fémtömbök, a víz áramlási irányával ellentétesen elhelyezett berendezések. A kapott eredmények alapján a kezeletlen vízen kívül különbséget nem tapasztaltak. További vizsgálatsorozatban a vizet foszfáttal kezelték, ekkor kazánkőkiválást nem tapasztaltak. A mágneses elven, a kisülés elvén vagy a diamagnetizmus elvén működő berendezések, illetve a csőre felhelyezett fémtömbök esetében kazánkőképződést nem tapasztaltak vagy a keletkező mennyisége jelentősen csökkent. 5 mg/l-nél kisebb mennyiségű polifoszfát adagolása esetén 80 85 C-on már a 16 német keménységi fokos víz esetében is csökkent a kazánkő képződése. Miután a kazánkő csak magasabb hőmérsékleten alakul ki, a hőmérséklet 60 C-ra történő korlátozása önmagában elegendő a képződés megakadályozására. Szakaszos üzemmódban a csőfalon könnyen lepattanó lerakódás, folyamatos üzemmódban tömör, nehéz kazánkő alakul ki. Melegvizes rendszerekben vizsgálták a gázkisülés, illetve a váltakozó mágneses tér elvén működő berendezéseket, 21 karbonát- és 38 összkeménységű vízben. Nem sikerült igazolni, hogy ezek a vízelőkezelő berende
zések csökkentik vagy megakadályozzák a kazánkőképződést, illetve gyakorolnak-e egyéb hatást a vízre. A vizsgálatok eredményei alapján Németországban a fizikai vízelőkészítő berendezések iránti kereslet a korábbi csökkenés után ismét növekedni kezdett. A jelenlegi helyzet ismertetése Napjainkban többféle elven működő vízkezelő berendezés kapható és bővült a felhasználók köre is. A vízcsővezeték rendszerekben végbemenő lassú változások miatt nem agresszív vizek esetében a hatástalan berendezések sem okoznak károsodást. Az agresszív vizeknél a garantált időtartam az első korróziós károsodás megjelenéséig két év. 1985-ben közzétett vizsgálati eredmények szerint nyolc berendezés nem bizonyult hatékonynak. 2000-ben 13 berendezésen végrehajtott vizsgálat során azon kettőt minősítették hatékonynak, amelyeknél meghatározott időszakonként patront, illetve szűrőt cseréltek. A fizikai vízelőkészítő berendezések kétséges volta miatt a felhasználó számára továbbra is problémát jelent a korrózió és a kazánkőképződés okozta károsodás csökkentése. A hőmérséklet 60 C-ban történő korlátozásával már jelentős eredmények érhetők el. Jelentős javulás érhető el kis mennyiségű polifoszfát mennyiségfüggő beadagolásával. 30 összkeménységi -os nagy szulfáttartalmú, 6,8 ph értékű ipari víz esetében már 1 2 mg/l P 2 O 5 beadagolásával jelentős eredmény tapasztalható. Az új csöveken a korróziós károsodás már hat hónap után jelentkezhet, P 2 O 5 beadagolásakor ugyanakkor a csővezetékek több év múlva is kifogástalanul üzemelhetnek. A vastag lerakódásokat tartalmazó csövekben a lerakódások lassan, de láthatóan lebomlanak. Különösen rossz minőségű víz esetében a csőhálózat több pontján beépített vizsgáló csöveket félévente kiemelik és szemrevételezéssel ellenőrzik. Az eredmények megerősítették a poliszulfát-adagolás pozitív hatását. A felhasználók részére be kell mutatni a konkrét, ellenőrzött eredményeket, hogy a rendelkezésre álló ajánlatok között választani tudjanak. Hogyan ítélhető meg a vízelőkészítés hatása? A vízcsőben végbemenő lassú folyamatok esetében rövid ideig tartó, gyors vizsgálatokkal a vízelőkészítéssel kapcsolatos intézkedések hatékonysága nem vizsgálható. A korróziós potenciál mérése kevés információt szolgáltat, mert túl sok a ható paraméter.
megkerülővezeték új csődarab régi csődarab 1. ábra Az alkalmazott vízkezelési technika hatásfokának vizsgálata kontroll csőszakasz beépítésével Létezik egy rendszer, amely segítségével objektív vizsgálat valósítható meg. Erősen szennyezett víz esetében a csőhálózat több pontján az 1. ábrán látható megkerülővezetéket építik be. Az új csődarabon mész védőréteg, illetve korrózió alakul ki, a régi csődarabon a meglévő lerakódások leválnak. A vizsgáló darabok beépítésére a különböző vízelvételű és áramlási sebességű helyeken, illetve a betáplálási ponttól különböző távolságokban kerül sor. A megkerülő vezeték bekapcsolásakor meghatározott szakaszonként a csődarabokat kihúzzák, szemrevételezéssel ellenőrzik, lefényképezik és ugyanabban a helyzetben visszateszik. Vigyázni kell arra, hogy a csődarab mechanikusan ne sérüljön meg, a lerakódások sérülés nélkül visszakerüljenek és a rétegek ne száradjanak ki. A vizsgáló darabok hosszát úgy kell megválasztani, hogy a megzavart lamináris áramlás a vizsgálat időtartamára helyreállítható legyen. A vizsgálat időintervalluma 6, 12 és végül 24 hónap volt. A fényképek elemzése alapján több évet átfogó időtartamban objektív megállapítások tehetők a telepített vízelőkészítő technológia (esetünkben polifoszfát-adagolás) hatásfokáról, amely megfelelt a gyakorlati tapasztalatoknak is (pl. a csőtörések gyakoriságának a megváltozása). Zauberhafte Technik = Galvanotechnik, 92. k. 8. sz. 2001. p. 2231 2243. (Regősné Knoska Judit) Hoyer, O.; Clasen, J.: The application of new technologies in the water treatment. = Water Science and Technology: Water Supply, 2. k. 1. sz. 2002. p. 63 69. Bergman, d.: Zur Entsorgung von Rückständen aus der Wasseraufbereitung. = Wasserwirtschaft Abwasser Abfall, 49. k. 2. sz. 2002. p. 199 208.
EGYÉB IRODALOM Keresztényi I.: A kőolaj-feldolgozás szennyvizeinek kezelése membrán-bioreaktorban. = MOL Szakmai Tudományos Közlemények, 2002. 1. sz. p. 119 130. Oláh J.; Princz P.; Kucsák M. stb.: Biofilmrendszerek alkalmazása a szennyvíztisztításban. = Vízmű Panoráma, 10. k. 3. sz. 2002. p. 26, 28 30. Bi Shi, Guoying Li stb.: Bőrgyári szennyvizek szerves szennyezőinek eltávolítása ultrahanggal. = Bőr- és Cipőtechnika, -piac, 52. k. 8. sz. 2002. p. 342 343. Weimer D.: A vízveszteségek kezelése és technikái. = Vízmű Panoráma, 10. k. 3. sz. 2002. p. 9, 11 12. Nagy I. R.: Kisvízfolyások revitalizációs lehetőségeinek vizsgálata és értékelése. = Tájépítészet (Táj Település Kert), 2. k. 3. sz. 2001. okt. p. 40 43. Markó L.: Kommunális szennyvíziszap víztelenítő centrifugák. = Műszaki Kiadványok 81. sz. Vízellátás, Csatornázás, 5. k. 2002. p. 69 72.