Przemysłowe odżelazianie i odmanganianie wody

75% kuli ziemskiej pokrywają morza i oceany. Zaledwie 0,025% to wody słodkie (powierzchniowe lub podziemne). Jest ona bardzo dobrym rozpuszczalnikiem, przez co nie występuje jako czysty związek tlenu i wodoru. Obok rozpuszczonych substancji, mogą się znajdować związki zawieszone i koloidalne.

Filtracja to proces, który zapewnia usunięcie z wody cząstek o różnych średnicach (do 0,1 mikrona). Proces realizowany jest w urządzeniach nazywanych filtrami lub zbiornikami filtracyjnymi. Proces ten jest już od dawna znany i stosowany w oczyszczaniu wody.

„Najwcześniejsze współczesne zastosowanie filtracji w układach oczyszczania wody datuje się od XIX w., mimo iż w 1746 r., w Paryżu przyznano pierwszy patent na urządzenie do filtracji. W 1904 r. filtrację zastosowano w Szkocji, a w 1828 r. w Anglii. Cztery lata później w Richmont (Virginia) zainstalowano filtry ze złożem piaskowym do filtracji wody surowej [...]”

Montgomery J. M., Walter treatment principles and design, John Miley and Sons, Inc. Interscience Publ. New York 1985.

Obecnie system filtracyjny jest bardzo zmodyfikowany, ulepszony. Zagadnienia związane z uzdatnianiem wody w dużym zakresie pozwalają rozwiązać problem składu fizykochemicznego wody. Filtracja może być grawitacyjna i ciśnieniowa, powolna i pospieszna, jedno i wielowarstwowa, otwarta i zamknięta. Wydajność zależna jest od mocy pompy. Woda przepływa podczas filtracji w odpowiednim kierunku przez złoże filtracyjne. Ważne aby prędkość filtracji była poprawnie określona.

Procesy odżelaziania i odmanganiania wody

W celu prawidłowego doboru filtracji opartej na jednym lub wielu stopniach, należy zbadać parametry fizykochemiczne i mikrobiologiczne surowej wody. Jest to niezbędne do prawidłowego określenia wielkości i rodzaju filtrów, a także wypełnienia masy filtracyjnej. Analizę fizykochemiczną i mikrobiologiczną najczęściej wykonuje się w powiatowych lub wojewódzkich stacjach sanitarno – epidemiologicznych bądź też jednostkach ze specjalną akredytacją do tego typu badań laboratoryjnych.

Wybór odpowiedniej filtracji to proces złożony. Do usuwania niepożądanych pierwiastków chemicznych wykorzystujemy różnego rodzaju złoża. Przykładowo aby usunąć najczęściej spotykany pierwiastek w wodzie podziemnej – żelazo, wykorzystujemy drobny żwir filtracyjny (złoże kwarcowe). Do usunięcia manganu, z kolei można zastosować popularne złoże katalityczne. Kiedy w wodzie występują niepożądane ilości amoniaku lub substancji ropopochodnych (przez co zmianie ulega również często, lecz nie zawsze zapach i smak), można zbudować stopień filtracji w oparciu o węgiel aktywny. Kolejnym problem jest, kiedy dopuszczalne normy minimalnej ilości danych pierwiastków w wodzie zostały przekroczone. Dla przykładu w przypadku wystąpienia żelaza w stężeniu według analizy fizyko-chemicznej 3 mg/l (dopuszczalna wartość to 0,2 mg/l), trzeba zastosować filtr wypełniony złożem kwarcowym, poprzedzony procesem napowietrzenia. Jeżeli oprócz żelaza występuje też mangan, który bardzo często osiąga wysokie stężenie w wodach głębinowych i wynosi np. 0,4 mg/l (dopuszczalna norma w Polsce to 0,05 mg/l) to należałoby rozważyć wprowadzenia drugiego stopnia filtracji. Przed każdym stopniem filtracji nie można zapomnieć o odpowiednim, intensywnym napowietrzeniu wody za pomocą zbiornika napowietrzającego nazywanego aeratorem. Należy przy tym pamiętać, że w takim wypadku żelazo jest pierwiastkiem łatwiejszym do usunięcia niż mangan. Związane jest to z jego strukturą, podatnością na natlenienie itp. Stosując wzory doboru wielkości urządzeń, szczególnie biorąc pod uwagę prędkość liniową filtracji i powierzchnię filtracji możemy dobrać odpowiedniej wielkości zbiornik filtracyjny.

Przykładowe etapy uzdatniania wody:

PompyGlebinoweZestawyHydroforwe1Stopien1

Pompa głębinowa lub hydrofor

Wydajność dobrana według założeń, wysokość podnoszenia potrzebna jest do określenia na jakiej maksymalnej głębokości można zainstalować pompę głębinową.
Aerator1Stopien2

Aerator pierwszy stopień

Wymieszanie z powietrzem i przetrzymanie wody podlegającej uzdatnieniu w celu wytrącenia żelaza i późniejszego odfiltrowania na złożu filtracyjnym.
Filtry1Stopien3

Filtry pierwszy stopień

Napowietrzona woda kierowana jest do filtrów odżelaziających wypełnionych złożem kwarcowym. Filtry te, w zależności od parametrów fizyko-chemicznych wody, usuwają żelazo i mangan.
Aerator2Stopien4

Aerator drugi stopień

Wymieszanie z powietrzem i przetrzymanie wody podlegającej uzdatnieniu w celu wytrącenia manganu i pozostałego żelaza oraz późniejszego odfiltrowania na złożu filtracyjnym.
Filtry2Stopien5

Filtry drugi stopień

Napowietrzona woda kierowana jest do filtrów odmanganiających wypełnionych złożem katalitycznym.
ZbiornikRetencyjny6

Zbiornik retencyjny

Woda po dwustopniowym uzdatnianiu kierowana jest do zbiornika magazynowego.
ZestawHydroforowy2Stopien7

Zestaw pompowy II stopnia

Drugi, po urządzeniach głębinowych zestaw pompowy, służy do podawania uzdatnionej wody ze zbiornika retencyjnego do sieci wodociągowej. Zestaw ten utrzymuje też odpowiednie ciśnienie w sieci.

Jest to przykładowy model procesu uzdatniania wody. Jeżeli wodę należy również np. zmiękczyć (usunąć wapniową twardość ogólną), wówczas możemy wprowadzić trzeci stopień filtracji, stosując odpowiednie zbiorniki i metodę uzdatniania (na przykład żywica jonowymienna). W przypadku wystąpienia w analizie mikrobiologicznej bakterii i drobnoustrojów, należy dodać rozwiązanie dezynfekcji w postaci dedykowanego urządzenia jak na przykład punktowy bakteriobójczy sterylizator UV, stacja dozowania środka chemicznego, kończąc na najbardziej zaawansowanych rozwiązaniach jak generator dwutlenku chloru (stosowany najczęściej w szpitalnych stacjach uzdatniania wody, celem usunięcia bakterii Legionella).

Regeneracja, płukanie złoża

Wszystkie złoża mają jakąś określoną granicę zdolności absorpcji pierwiastków. Dodatkowo składniki fizykochemiczne, takie jak żelazo czy mangan sklejają materiał filtracyjny, powodując po pewnym czasie utratę wydajności stacji lub też (w przypadku powstania szczelin w mocno już wyeksploatowanym i zbitym złożu) utratę swoich zdolności. Dlatego w celu wydłużenia żywotności filtratów, wydajności i jakości, należy rozpocząć proces czyszczenia złoża, tak zwaną regenerację. Regeneracja czyli przepłukiwanie, w większości rodzajów złóż może przebiegać w podobnej formie. Regenerowany filtr jest wyłączany za pomocą zasuw lub przepustnic z procesu filtracyjnego i następują odpowiednie czynności płukania. Najczęściej dla filtrów usuwających żelazo i mangan stosowany jest poniższy schemat:

Przykładowy schemat regeneracji złoża filtracyjnego:

1

Obniżenie lustra wody

Filtr wypełniony jest złożem w około 75%. Pozostała część to wolna przestrzeń. Jest to cykl przygotowujący do następnego kroku, poprzez spuszczenie części wody do kanalizacji.
2

Wzruszenie złoża powietrzem

Powietrze w określonej ilości kierowane jest z dołu do góry komory filtracyjnej, w celu podniesienia złoża i usunięcia ewentualnych grud i rozbicia powstałych skupisk.
3

Płukanie wsteczne

Intensywne płukanie z dołu do góry filtra, za pomocą dedykowanej pompy płucznej (optymalnie ze zbiornika wody czystej). Brudna woda odprowadzana jest do kanalizacji.
4

Płukanie formujące

Formowanie złoża, układanie warstw filtracyjnych z góry do dołu (tak jak normalny cykl pracy, z tym że woda kierowana jest do kanalizacji) za pomocą pompy głębinowej. Usuwane są też pozostałe ilości pierwiastków.

Automatyka pracy

Ilości płukania, czy też krotności niektórych cykli w przypadku trudnych wód głębinowych można zmienić, na przykład wprowadzając podwójne wzruszenie powietrzem czy też zwiększając krotność płukania wstecznego. Dla usprawnienia procesów technologicznych i większej kontroli, można wprowadzić do takich procesów automatyzację pracy. Dla zliczania ilości wody filtrowanej, ilości wody płucznej, stosuje się wodomierze lub przepływomierze (również takie w pełni zautomatyzowane). Z kolei dla poprawnego określenia ilości napowietrzonej wody doprowadzonej do aeratora, sprężarka wyposażona jest w układ sterowania ilością sprężonego powietrza, gdzie nastawia się wymaganą wartość napowietrzania. W zestawach hydroforowych dla ograniczenia zużycia energii i równomiernego zużycia pomp (zestawy takie mają po 2 lub więcej pomp) stosuje się przetworniki mocy, tak zwane falowniki oparte na regulatorach PID. Regulatory te, poprzez zastosowanie algorytmu proporcjonalno-całkująco-różniczkujacego, równomiernie rozkładają moc, wydajność pomp i poddają równemu zużyciu.

Armatura i orurowanie

Należy też wspomnieć o doborze odpowiednich tworzyw, z których zbudowane są stacje uzdatniania. Rury przy filtrach wykonuje się z rur żeliwnych lub PVC, coraz częściej jednak spotykane są orurowania ze stali nierdzewnej (ze względu na zwiększoną wytrzymałość, żywotność i odporność mikrobiologiczną). W przypadku rur podziemnych (np. doprowadzenie wody surowej ze studni lub ze zbiornika retencyjnego), stosuje się rury charakteryzujące się wysokimi parametrami fizykochemicznymi – najczęściej z polietylenu (rury PE, PEHD) o zwiększonej klasie odporności np. SDR17. Z kolei filtry stosowane są z tworzyw sztucznych lub żeliwne, pokryte specjalną wytrzymałą kauczukową powłoką antykorozyjną, odporną na ścieralność. Wszystkie materiały muszą posiadać stosowne atesty higieniczne, dlatego nie każdy producent filtrów czy urządzeń może stosować swoje materiały w stacjach uzdatniania wody przeznaczonej do spożycia (na przykład woda z sieci wodociągowych).