VÍZKEZELÉS, SZENNYVÍZKEZELÉS 1
A vizek minősítése Vízminőség: a víz fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságainak összessége. Vízszennyezés: minden olyan hatás, amely a felszíni és felszín alatti vizeink minőségét úgy változtatja meg, hogy az adott víz alkalmassága emberi használatra vagy a benne végbemenő természetes életfolyamatok fenntartására csökken, vagy megszűnik. Vízhasználati célok Hidrológiai szempontok Fizikai vízminősítés Kémiai vízminősítés Biológiai vízminősítés Bakteriológiai vízminősítés életfolyamatok ivóvíz kommunális felhasználás energiahordozó (gőz, hűtővíz) A VÍZ SZEREPE ipari tevékenység mezőgazdaság oldószer alapanyag öntözés állattenyésztés halgazdaság vízi ökoszisztéma, üdülés, gyógyászat SZENNYVÍZ
Vízhasználati célok ivóvízellátás gyógyászati, üdülési cél mezőgazdaság (öntözés, állattenyésztés, halgazdaság) vizi ökoszisztéma fenntartása ipari vízellátás (energetika, oldószer, alapanyag) hidrológiai vízminősítés fizikai jellemzők organoleptikus tulajdonságok sótartalom, mikroszennyezők oldott gázok (oxigén, szén-dioxid) szerves anyagok (szennyezés) toxikus anyagok biológiai jellemzők egészségügyi szempontok Hidrológiai vízminősítés felszíni: folyó, tó, tározó; felszín alatti: talaj, réteg, karszt folyásirány, sebesség, vízhozam, vízszint Fizikai vízminősítés hőmérséklet lebegőanyag (zavarosság, átlátszóság), NTU fajlagos vezetőképesség látszólagos szín (TCU) Organoleptikus vízminősítés - szín - zavarosság -íz -szag(primer és szekunder szaghatások) Kémiai vízminősítés (idegen anyagok jelenléte) oldott gázok oldott sók oldott szerves anyagok Oldott gázok: CO csapadékvíz ph: 5,5-5,65 (természetes) a víz oldó hatását növeli (kationok, anionok) CaCO MgCO CO : kötött + szabad (járulékos + agresszív) + CO + CO K = + H + H O O [ CO ] [ CO ] [ HCO ] kötött szén-dioxid Ca( HCO ) Mg( HCO ) járulékos szén-dioxid
Oldott gázok: O Az oxigén vízoldhatóságának hőmérsékletfüggése A fotoszintézis napi periódusának hatása az oldott oxigéntartalomra vízben oldott levegő ~ 40% oxigén ~ 60% nitrogén Oxigénnel dúsított víz??? OLDOTT SÓK (szervetlen anyagok) talaj minősége oldott gázok (CO, O ) Természetes vizek: Na +,K +, Ca +, Mg + Cl -, SO 4-, HCO -, CO - tengervíz felszíni és rétegvizek további ionok: szennyezések Fe, Mn, NH 4, As, nehézfémek NO, NO, SiO 4, CN, huminsav Szervetlen ionösszetétel ábrázolása négyszögdiagramon 4
A vizek keménysége és lúgossága Ca + és Mg + ionok jelenléte hidrokarbonátok: változó (karbonát) keménység : egyéb anionok (SO 4, Cl, SiO 4 ): állandó (nemkarbonát) keménység: NKK Ca- és Mg-szappanok vízkő (kazánkő) képződés KK ÖK = KK + NKK vagy mérőszám: keménységi fok, NK o 1 NK o = 10 mg CaO/liter víz SI egység: mmol (Ca + Mg) / dm víz ÖK = KK (lúgos vizek) MINŐSÍTÉS lágy víz közepesen kemény víz kemény víz nagyon kemény víz Keménység, NK o 0 8 8 18 18 0 0 fölött Lúgosság: szikes vizek (NaHCO ) potenciális Ca és Mg oldó képesség lúgossági fok: 100 cm -re fogyó 0,1 M HCl (ml) lágy víz kemény víz Vízkövesedés 5
Szervetlen anyag: össz-sótartalom (mg/l) MINŐSÍTÉS sószegény víz közepes sótartalmú víz nagy sótartalmú víz igen nagy sótartalmú víz tengervíz SÓTARTALOM (mg/l) 0 alatt 00 600 600 800 800 fölött 10000-40000 Oldott és kolloidális szerves anyag együttes meghatározás TOC (total organic carbon: összes szerves szén) elégetve: CO mérés Indirekt módszerek: lebontás oxigénigénye BOI 5 : biokémiai oxigénigény (5 nap, 0 o C) KOI: kémia oxigénigény oxidálószer: KMnO 4 (használati és ivóvizek) K Cr O 7 (szennyvizek) BOI és KOI értékek összehasonlítása 6
Patogén baktériumok Photo: CDC. E. coli 0157:H7 Virusok Photo: Rotavirus, ASM Digital Collection Paraziták Giardia Cryptosporidium BAKTERIOLÓGIAI VÍZMINŐSÍTÉS A kolititer az a ml-ben kifejezett legkisebb vízmennyiség, amelyből koli baktérium kitenyészthető; ha 1 kolibaktérium található 100 ml vízben, akkor a víz tiszta, 10 ml vízben, akkor elég tiszta 1 ml vízben, akkor gyanús, 0,1 ml vízben, akkor szennyezett, használtra alkalmatlan. A koliform szám a 100 ml vízben lévő Coli baktériumok száma. Az ivóvíz mikrobiológiai követelményeit az MSZ 450- alapján közöltek írják elő. 7
AZ IVÓVÍZ BAKTERIOLÓGIAI HATÁRÉRTÉKEI az MSZ 450- szabvány alapján Bakteriológiai határértékek A B C Paraméterek Megengedhető mennyiségek Coliformszám 0 10 Telepszám 7 o C-on 1 ml-ben 0 100 500 Telepszám 0 o C-on 1 ml-ben 100 500 500 Egészségügyi problémákat okozó vízszennyezők Illékony szerves vegyületek VOCs) Szervetlen vegyületek -nehézfémek (IOCs) Növényvédőszerek, szintetikus szerves vegyületek (SOCs) Radionuklidok 8
Vízszennyező komponensek, határértékek Biológiai vízminősítés halobitás: trofitás: szaprobitás: toxicitás: szervetlen tulajdonságok összesége elsődleges szervesanyagtermelés: alga, hínár (feltételek) C, H, O, N, P, fény, S minimumelv holt szervesanyag lebontás, heterotróf mikroorganizmusokkal természetes eredet, antropogén szennyezők Általános vízminősítés (felszíni) MSZ 1479 A - oxigénháztartás B - tápanyag (nitrogén és foszfor) háztartás C - mikrobiológiai jellemzők D - mikroszennyezők és toxicitás D1 szervetlen mikroszennyezők D szerves mikroszennyezők D toxicitás D4 radioaktív anyagok E - egyéb jellemzők 9
A vízminőségi osztályok jellemzése I. osztály: kiváló víz. Mesterséges szennyező anyagoktól mentes, tiszta, természetes állapotú víz, amelyben az oldottanyag-tartalom kevés, közel teljes az oxigéntelítettség, a tápanyagterhelés csekély és szennyvízbaktérium gyakorlatilag nincs. II. osztály: jó víz. Külső szennyezőanyagokkal és biológiailag hasznosítható tápanyagokkal kismértékben terhelt, mezotróf jellegű víz. A vízben oldott és lebegő, szerves és szervetlen anyagok mennyisége, valamint az oxigénháztartás jellemzőinek évszakos és napszakos változása az életfeltételeket nem rontja. A vízi szervezetek fajgazdasága nagy, egyedszámuk kicsi, beleértve a mikroorganizmusokat. A víz természetes szagú és színű. Szennyvízbaktérium igen kevés. III. osztály: tűrhető víz. Mérsékelten szennyezetett (pl. tisztított szennyvizekkel már terhelt) víz, amelyben a szerves és szervetlen anyagok, valamint a biológiailag hasznosítható tápanyagterhelés eutrofizálódást eredményezhet. Szennyvízbaktériumok következetesen kimutathatók. Az oxigénháztartás jellemzőinek évszakos és napszakos ingadozása, továbbá, az esetenként előforduló káros vegyületek átmenetileg kedvezőtlen életfeltételeket teremthetnek. Az életközösségben a fajok számának csökkenése és egyes fajok tömeges elszaporodása vízszíneződést is előidézhet. Esetenként szennyezésre utaló szag és szín is előfordul. IV. osztály: szennyezett víz. Külső eredetű szerves és szervetlen anyagokkal, illetve szennyvizekkel terhelt, biológiailag hozzáférhető tápanyagokban gazdag víz. Az oxigénháztartás jellemzői tág határok között változnak, előfordul az anaerob állapot is. A nagy mennyiségű szerves anyag biológiai lebontása, a baktériumok száma (ezen belül a szennyvízbaktériumok uralkodóvá válnak), valamint az egysejtűek tömeges előfordulása jellemző. A víz zavaros, esetenként színe változó, előfordulhat vízvirágzás is. A biológiailag káros anyagok koncentrációja esetenként a krónikus toxicitásnak megfelelő értéket is elérheti. Ez a vízminőség kedvezőtlenül hat a magasabb rendű vízi növényekre és a soksejtű állatokra. V. osztály: erősen szennyezett víz. Különféle eredetű szerves és szervetlen anyagokkal, szennyvizekkel erősen terhelt, esetenként toxikus víz. Szennyvízbaktérium-tartalma közelít a nyers szennyvizekéhez. A biológiailag káros anyagok és az oxigénhiány korlátozzák az életfeltételeket. A víz átlátszósága általában kicsi; zavaros. Bűzös, színe jellemző és változó. A bomlás-termékek és a káros anyagok koncentrációja igen nagy, a vízi élet számára krónikus, esetenként akut toxikus szintet jelent. 10
Felszíni vizek Rétegvizek (felszín alatti vizek) Felszíni vízzel közvetlen kapcsolatban lévő rétegvizek (parti szűrésű vizek) Sótalanított tengervíz Csapadékvizek (ciszterna) Ivóvíz-források 11
VÍZFORRÁSOK A felszín alóli víztermelés víztípusonként 1981-000 között Magyarország: napi vízkitermelés:,7 millió m 1
IVÓVÍZ ELŐÁLLÍTÁS Hálózati víz ivóvíz használati víz egy vízhálózat (ivóvízminőség) párhuzamos vízhálózat (használati víz) A vízcsőhálózatból kikerülő ivóvíznek esztétikai szempontból kifogástalannak kell lennie, színtelen, szagtalan, friss és jóízű legyen, hőmérséklete 1-0 o C, nem tartalmazhat nem megengedhető koncentrációban egészségre káros anyagokat, azonban tartalmaznia kell mindazon anyagokat (ásványi anyagokat, nyomelemeket), amelyekre az emberi szervezetnek szüksége van és amelyeknek a felvétele (csak) az ivóvízzel biztosítható. 1
Hazai ivóvíztechnológiai igények Felszín alatti vízkészleteink 5-0%-a a biztonsági fertőtlenítésen kívül egyéb vízkezelést nem igényel, azaz I. osztályú (karsztvizek zöme, egyes partiszűrésű és rétegvizek). A vízkészletek közel /4 e II. osztályú, ezek 80-90%-a nagy vas- és mangántartalma miatt kezelendő; 15-0%-a nagy gáz- (robbanásveszélyes metán) tartalmú, a gáztalanítás (0,8 l/m -t meghaladó metántartalom esetén) az üzembiztonság miatt kötelező; 5-10%-a arzéntartalmú; A legtöbb gondot az arzén- és nitrátszennyezés okozza. VÍZELŐKÉSZÍTÉS (adott célra megfelelő minőségű víz előállítása) mechanikai: ülepítés, szűrés, derítés, gáztalanítás: CH 4, CO, O eltávolítás, vastalanítás, mangán-eltávolítás, (egyéb fémek eltávolítása) arzén-mentesítés, nitrát-, ammónia-mentesítés, szilikát-mentesítés, olajeltávolítás, lágyítás, só- (ion-) mentesítés, fertőtlenítés 14
Az ivóvíz-előállítás általános technológiai sémája Többfokozatú vízszűrők 90-10 cm 150-00 cm Szűrt víz Szűrt víz 15
Nyomás alatti vízszűrő berendezések Szivárgó homokszűrőszűrő Mélységi szűrő regenerálása Gyors vízszűrő 16
GÁZTALANÍTÁS Általános módszerek - csörgedeztetéses (kaszkádos levegőztetés) - permeteztetéses (ejtősugaras módszer) - fúvókás porlasztás (fecskendezés) - forgókefés levegőztetés - turbinás levegőztetés - légbefúvás -élesgőz-befúvás - vákuumos-elszívás Agresszív CO eltávolítása nyomáscsökkentés melegítés kémiai eljárások - töltött oszlop (márványtörmelék) - mésztejes kezelés - magno-maszás kezelés (részlegesen égetett dolomit) Metánmentesítés CO és O teljes eltávolítása (kazántápvizek) termikus: gőzátfúvás Na SO + O N H ( OH ) 6 + O kémiai: redukció Na SO N + 4 H O 4 MgO + CaCO + + CO + HO = Ca( HCO ) Mg( HCO ) Levegőztetőberendezések Csörgedeztető berendezés toronyszerű töltőtesttel 17
Vastalanítás: levegőztetés vas hidrokarbonát szulfát 4 Fe ( HCO + CO ) + O + H O = 4 Fe( OH ) 8 Fe + Fe + humát erélyes oxidálószer, koaguálás Mangántalanítás: csak erélyes oxidálószer jelenlétében DERÍTÉS MnO kezdeti réteg kialakítása derítőszerek: jól ülepedő, nagy felületű, (+) töltésű csapadék, részecske Al (SO 4 ), FeSO 4, FeCl, Na AlO 4 polialumínium-klorid (PAC): BOPAC szerves polimerek (polielektrolitok) poliakrilamidok: (PAA) IVÓVÍZ FERTŐTLENÍTÉS Feladat: csíramentesítés sugárkezelés (ultraibolya, radioaktív?) katodin eljárás (modern technológia?) direkt klórozás indirekt ózonos vízkezelés hidrogén-peroxidos kezelés UV-technológia alkalmazása a) a lámpák elhelyezése a vezetékrendszerben b) UV-lámpa egység 18
Kémiai fertőtlenítés (klórozás) Cl + H O = HOCl + Cl - HOCl = H + + OCl - OCl - = O + Cl - HOCl + OCl - : szabad klór + szerves vegyületek: trihalometánok klórfölösleg: HOCl + NH HOCl + NH + ammónia: klóraminok Cl HOCl + NHCl NH Cl + H O NHCl + H O NCl + H O Törésponti klórozás további reakciók: NH Cl + NHCl + HOCl 4 NH Cl + Cl NH Cl HCl + Ca( HCO ) NH Cl + NHCl + H O + HOCl Ca + 4 HCl + N 10 HCl + N O + N HCl + N + Cl HCl + N + H O + H O + H O + CO 19
DEKLÓROZÁS ammónia???, kén-dioxid, nátrium-szulfit aktívszén (szűrő) NHCl SO + SO + HOCl + H + 4 H O NH Cl + SO + H O O Cl Cl Cl + SO + SO + SO 4 4 4 + H + NH + NH + 4 + + 4 + 5 H + H + + C + Cl + H O 4 HCl + CO Fertőtlenítés klór-dioxiddal (ClO ) in situ előállítás: + NaClO + Cl ClO NaCl Ózonos vízkezelés HOO és HO gyökök O + H O + HO + OH O + HO HO + OH + HO + OH HO extrém oxidációs hatás OH + O H O + O rövid élettartam Ivóvízkezelésben használatos ózon-generátor Hidrogén-peroxidos vízkezelés OH gyökök oxidációs aktivitása (viszonylag szűk keretben alkalmazott) Kombinált vízkezelés: modern megoldás: ózon + klór előkezelés utókezelés 0
VÍZLÁGYÍTÁS, IONMENTESÍTÉS keménységet okozó sók Csapadékos eljárások eltávolítása kiválásának megakadályozása a) termikus vízlágyítás (- NK o ) b) meszes/ meszes-szódás vízlágyítás (0,5-1 NK o ) Mg ( HCO Ca ( HCO ) CaCl MgCl MgCO ) + Ca ( OH ) + Ca ( OH ) + + Na Na CO CO + Ca ( OH ) = = MÓDSZEREK csapadékképződést felhasználó eljárások komplexképző anyagok alkalmazása ioncsere technológiák desztilláció fordított ozmózis elektrodialízis CaCO Mg ( OH ) = = = CaCO MgCO Mg ( OH ) + H O + CaCO + NaCl + NaCl + CaCO + H O vízelosztó mészoltó mésztelítő reaktor szűrő mésztejadagoló Fluidizációs gyorslágyító lágyvíz Mésztejes lágyító 1
Lágy víz Mész oldat Modern meszes vízlágyító berendezés Kemény víz c) Trinátrium-foszfátos (trisó) vízlágyítás; elérhető: 0, 0,5 NK o Ca( HCO ) CaCl + Na PO + Na PO 4 4 Ca ( PO ) Ca ( PO ) 4 4 + 6 NaHCO + 6 NaCl Trisó-bekeverő rendszer erőművi kazántápvíz előlágyításához
Vízlágyítás komplexképzéssel komplexképzők nátrium-citrát trinitrilo-ecetsav EDTA polifoszfátok Pentanátrium-trifoszfát: Na 5 P O 10 (PNTF) O O O Na-O-P--O--P--O--P-O-Na ONa ONa ONa Trinátriummetafoszfát Fluorapatit-kristály IONCSERÉLŐK szervetlen műgyanták kationcserélő: permutit, zeolit anioncserélő: hidotalcit, cirkonil-foszfát erősen savas (szulfonát) kationcserélő gyengén savas (akrilát) anioncserélő erősen lúgos (kvaterner ammónium só) gyengén lúgos (amin) Szervetlen ioncserélők: vízlágyítás MOSÓSZEREKBEN NaA-zeolit Si/Al = 1, Ca-ioncsere NaX-zeolit Si/Al =,8, Mg ioncsere
Vízlágyítás A-zeolittal Csoportosítás (i) erősen savas kationcserélők, (ii) gyengén savas kationcserélők, (iii) erősen lúgos anioncserélők (iv) gyengén lúgos anioncserélők. 4
Ioncserélő műgyanták kialakítása Teljes ionmentesítésre ioncsere-kapacitás áttörési kapacitás Ionmentes-víz (energetikai célra) előállítása 5
Ipari ioncsere berendezések Ionmentesítés desztillációval Energiaigény! Megoldás: napenergia 6
Fordított ozmózis, csőmembrános cella Fordított ozmózis, lapmembrános cella Tengervíz sótalanítás 7
Sótalanítás pervaporációval Az arzén hatása az emberre KERATOSIS Consumers drinking this arsenic-affected water in Bangladesh suffer from numerous adverse health effects including Keratosis. 8
Az arzén kémiája Az arzén a vizekben kétféle oxidációs állapotban fordul elő Arzenit (háromértékű, As + ) Arzenát (ötértékű, As 5+ ) Az arzenát eltávolítás sokkal nagyobb hatásfokkal oldható meg, ezért a reduktív környezetből származó As + komponenseket oxidálni kell EU-előírás: As < 10 μg/l (korábbi: 50 μg/l) Csökkentési lehetőségek Az arzén-tartalmú vízforrás kiiktatása Keverés Központi (vízművi) kezelés technikai megoldások mellékáramú kezelések teljes kezelés létező technológiák új, fejlesztés alatti technológiák Csővégi (felhasználói) kezelések 9
Arzéneltávolítási lehetőségek és hatásfokok technológia aktivált Al O adszorpció koagulálás/szűrés ioncsere mész-szódás lágyítás fordított ozmózis elektrodialízis oxidáció/szűrés maximális %-os eltávolítás 95 95 95 90 > 95 85 80 Vas/mangán + arzén eltávolítás Oxidáció/szűrés a hulladék visszamosása nyersvíz levegőztető nyersvíz keverő szűrő mosó viz nyersvíz a visszamosáshoz szűrt víz 0
Csővégi megoldások Csővégi (felhasználói) megoldások Ioncsere Aktivált alumina Granulált ferrihidroxid Fordított ozmózis 1
Csővégi megoldások lakóházban
Nitrát/ammónia mentesítési technológiák Lehetőségek : Vízforrás helyettesítés Keverés nitrát- (ammónia-)mentes vízzel Valamilyen működő regionális vízkezelőhöz csatlakozás Helyi vízkezelő rendszer kiépítése Vízkezelési módszerek ioncsere biológiai redukció denitrifikálás fordított ozmózis elektrodialízis kémiai redukció (katalitikus, katalizátor: Pd, Pt)