Metody uzdatniania wody

Woda to jeden z podstawowych czynników niezbędnych nam do życia. Razem z powietrzem stanowią podstawę funkcjonowania żywych organizmów. Do tego warto pamiętać, że substancja ta stanowi około 70% ludzkiego ciała, a każdego dnia powinniśmy dostarczać organizmowi 2-3 litry tego płynu. Człowiek bez wody jest w stanie przeżyć zaledwie kilka dni.

Woda występuje w przyrodzie w sposób naturalny i jest jednym z surowców biorących udział w krążeniu miedzy poszczególnymi strefami. Jej właściwości sprawiają, że jest doskonałym rozpuszczanikiem, przez co przenikają do niej niemal wszystkie związki i minerały zawarte w skorupie ziemskiej. Zmienia się jedynie ich stężenie zależne od wielu czynników.

Oprócz typowych związków występujących w przyrodzie w sposób naturalny bardzo często trafiają do niejtakże substancje pochodzące z działalności człowieka. Najpowszechniejsze z nich to żelazo, mangan, azotany i amoniak. To właśnie te związki stanowią w głównej mierze zanieczyszczenia, których należy się pozbyć zanim woda trafi do obiegu w naszym domu. Uzdatnianie wody, filtracja oraz kontrola jakości to konieczność, której nie zawsze jesteśmy świadomi. A jednak od wody w dużej mierze zależy również nasze zdrowie.

Woda jako podstawowy czynniki o znaczeniu gospodarczym nie może być pozostawiona sama sobie. Jakość wody ma realne przełożenie na stan instalacji, w których krążą. Technologie przygotowania (metody uzdatniania, filtry, urządzenia) oraz ekonomiczne wykorzystanie wody powinny stanowić przedmiot szczególnego zainteresowania wszystkich użytkowników, a przede wszystkim projektantów urządzeń, w których woda odbywa swoje cykle robocze.

Zobacz także:

Uzdatnianie wody w domu jednorodzinnym - przegląd systemów

Co to jest uzdatnianie wody

Parametry jakości wody wynikają z jej wizualnej oceny oraz analizy składu chemicznego. Taka informacja pozwala nam ocenić jakie metody uzdatniania są wskazane. Uzdatnianie wody jest zatem procesem dostosowania jej właściwości fizykochemicznych do wymagań wynikających z jej przeznaczenia. Polega na doborze odpowiednich filtrów oraz efektywność usuwania danych zanieczyszczeń. Ocena jakości wody oparta jest na analizie fizykochemicznej wykonanej w profesjonalnym laboratorium (stacje sanitarno-epidemilogiczne, laboratoria kontroli środowiska lub laboratoria na wyższych uczelniach). Na tej podstawie dokonuje się doboru metody uzdatniania wody. Mikroorganizmy znajdujące się w wodzie pitnej stanowią zagrożenie dla zdrowia człowieka. Dlatego często woda pitna, zanim trafi do spożycia przechodzi proces dezynfekcji, który polega na zniszczeniu  chorobotwórczej flory. Przede wszystkim chodzi o deaktywację mikroorganizmów, hamowanie ich wzrostu i reprodukcji. Spokrewnionym procesem jest steryzlizacja, w czasie której jednak zabijane są zarówno szkodliwe jak i nieszkodliwe dla zdrowia człowieka mikroorganizmy.

WARTO WIEDZIEĆ 

Zgodnie z obowiązującymi przepisami (Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dn. 4 września 2000 r.) woda do picia i na potrzeby gospodarcze musi spełniać określone wymagania.

SPRAWDŹ KONIECZNIE >> Wskaźniki jakości wody w domu

CHLOROWANIE

Chlorowanie jest najtańszą i najbardziej rozpowszechnioną metodą dezynfekcji wody przebiegającą z wykorzystaniem związków chloru lub chloru w postaci gazowej. 
 

• środek uzdatniający: najpopularniejszym środkiem do dezynfekcji wody jest roztwór podchlorynu sodu (NaOCl)
• dozowanie: stacje dozujące, składające się z pompy membranowej oraz polietylenowego zbiornika na roztwór
• dawka: dobierana odpowiednio do jakości wody, tak by zapewniała określoną ilość chloru użytecznego po upływie ustalonego czasu od momentu wprowadzenia chloru
• uwagi: skutkiem ubocznym dezynfekcji wody chlorem jest pogorszenie jej smaku i zapachu. Ponadto stosowanie dużych dawek chloru wymaga przeprowadzenia procesu dechloracji (np. adsorpcja chloru na węglu aktywnym). Stacja dozująca podchloryn sodu powinna znajdować się w osobnym pomieszczeniu z dobrą wentylacją i jak najbliżej miejsca dozowania.
   

ODWRÓCONA OSMOZA (DEMINERALIZACJA)

Jest to proces membranowy pozwalający oddzielić zanieczyszczenia rozpuszczalne i koloidalne o wielkości z przedziału 0,1 - 0,001 µm, które występują w wodzie.
 

• środek uzdatniający: proces ten wykorzystuje zjawisko osmozy - transport rozpuszczalnika (wody) przez membranę półprzepuszczalną, tzn. przepuszczalną dla rozpuszczalnika, a nieprzepuszczalną dla substancji rozpuszczonych (soli)
• dozowanie: różnica stężeń rozpuszczonych soli w roztworach rozgraniczonych przez membranę to siła warunkująca tempo przebiegu tego procesu. Przyłożenie, po stronie roztworu bardziej stężonego, odpowiednio wysokiego ciśnienia zewnętrznego spowoduje przepływ wody w kierunku przeciwnym do naturalnego. Proces taki nazywamy odwróconą osmozą.
• dawka: podstawowym elementem każdego urządzenia odwróconej osmozy jest moduł, zawierający jedną lub więcej membran. Wysokociśnieniowa pompa w sposób ciągły podaje wodę do obudowy, w której zainstalowana jest półprzepuszczalna membrana. Strumień wody zasilającej jest rozdzielany na dwa strumienie: permeat (o niskiej zawartości soli) oraz koncentrat (zatężone sole). Zawór koncentratu służy do regulacji stosunków tych strumieni oraz pozwala utrzymać ciśnienie na membranach. Permeat jest magazynowany w zbiorniku permeatu i stamtąd odprowadzany do miejsca przeznaczenia
• uwagi: woda po systemie odwróconej osmozy jest prawie całkowicie odsolona. Gazowe składniki wody takie jak tlen czy dwutlenek węgla przechodzą przez membranę. Woda zasilająca urządzenie do demineralizacji wody metodą odwróconej osmozy wymaga zwykle wstępnego przygotowania - należy usunąć z niej wszystkie substancje, które mogą zakłócić lub uniemożliwić pracę membran wskutek ich zablokowania. Woda ta powinna być zmiękczona, pozbawiona żelaza, manganu, oleju oraz wolnego chloru, a indeks koloidalny SDI nie powinien być większy niż 3. Do prawidłowego doboru technologii i urządzeń konieczna jest pełna analiza wody surowej. Instalacja odwróconej osmozy powinna być eksploatowana w sposób ciągły; jeżeli pracuje okresowo, to w czasie postoju należy ją uruchamiać przynajmniej 1 raz w ciągu doby na okres nie krótszy niż 20 min. W przeciwnym razie membrany wymagają dezynfekcji.

fot.: AKWA - 5 stopniowy system Odwróconej Osmozy Aqua Filter dostępny w ofercie firmy AKWA. System dzięki wysokiej jakości membrany osmotycznej może oczyścić do 280 l wody na dobę. Niski mikronaż 0,0001 µm, pozwala usuwać z wody większość zanieczyszczeń (w tym bakterie i wirusy). System wyposażony jest w końcowy wkład węglowy AICRO, który poprawia smak i zapach wody.

WAŻNE - typowa technologia powinna uwzględniać procesy filtracji mechanicznej, odżelazianie, odmanganianie, usuwania wolego chloru (filtracja na węglu aktywnym), zmiękczanie, filtrację ochronną i dopiero odwróconą osmozę.

WYMIANA JONOWA (DEMINERALIZACJA)

Jest to wymiana jonów związanych z żywicą jonowymienną na jony znajdujące się w otaczającym go roztworze:

Proces jest odnawialny a wymiana zachodzi w równoważnych ilościach (stechiometrycznych).
 

• środek uzdatniający: przeprowadzana w układzie dwóch kolumn, z których jedna wypełniona jest silnie kwaśnym kationitem pracującym w cyklu wodorowym, a druga - anionitem (z reguły silnie zasadowym), pracująca w cyklu wodorotlenowym. Innym sposobem jest wymiana jonowa na złożu mieszanym. Złoże mieszane to specjalnie zestawiona kombinacja jonitów, składająca się z kationitów silnie kwaśnych i anionitów silnie zasadowych (pozwala również na usunięcie rozpuszczonego CO₂ oraz krzemionki.)
• dozowanie: do regeneracji jonitów silnie kwaśnych używa się zwykle 6% roztworu kwasu solnego (HCl), który magazynowany jest w zbiorniku kwasu w formie zatężonej tj. 33%. W wyniku tej regeneracji powstają ścieki silnie kwaśne o pH 1-2 zawierające duże ilości jonów chlorkowych. Do regeneracji jonitów silnie zasadowych używa się zasady sodowej (NaOH) o stężeniu 4-6%, która magazynowana jest w zbiornikach ługu o stężeniu 42%. W wyniku tego procesu powstają ścieki alkaliczne o pH 11-12.
• dawka: do regeneracji jonitów silnie kwaśnych używa się zwykle 6% roztworu kwasu solnego (HCl), który magazynowany jest w zbiorniku kwasu w formie zatężonej tj. 33%. W wyniku tej regeneracji powstają ścieki silnie kwaśne o pH 1-2 zawierające duże ilości jonów chlorkowych. Do regeneracji jonitów silnie zasadowych używa się zasady sodowej (NaOH) o stężeniu 4-6%, która magazynowana jest w zbiornikach ługu o stężeniu 42%. W wyniku tego procesu powstają ścieki alkaliczne o pH 11-12.
• uwagi: klasyczna metoda demineralizacji na dwóch kolumnach pociąga za sobą konieczność rozbudowy instalacji o układy magazynowania i dystrybucji NaOH i HCl służących do regeneracji oraz prowadzenia w zakładzie odpowiedzialnej gospodarki wodno-ściekowej, związanej z neutralizacją ścieków poregeneracyjnych.

DEZYNFEKCJA

Celem dezynfekcji wody jest zniszczenie żywych i przetrwalnikowych form organizmów patogennych oraz zapobieżenie ich wtórnemu rozwojowi w sieci wodociągowej. Związane jest to z występującym w naturalny sposób skażeniu biologicznym (wirusy, bakterie, pasożyty) wody powierzchniowej oraz płytkich wód podziemnych. Szczególne znaczenie tego procesu przypisuje się wykorzystaniu wody w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, kosmetycznym.

Dezynfekcja za pomocą promieniowania UV

• środek uzdatniający: promienie UV (bez użycia środków chemicznych, dlatego nie zmienia jej składu fizykochemicznego, smaku i zapachu) - jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 10- 400 nm; umownie wydziela się trzy pasma: UV-A (320-400 nm), UV-B (280-320 nm) i UV-C o działaniu bakteriobójczym (200-280 nm). Urządzenie do dezynfekcji promieniami UV składa się z komory napromieniowania oraz zamontowanego wewnątrz niej promiennika, który omywa woda poddawana dezynfekcji.
• dozowanie: działanie to polega na absorpcji promieniowania UV-C przez struktury genetyczne DNA drobnoustrojów, powodując zniekształcenia w DNA uniemożliwiające proces jego ponownego
• dawka: różna odporność mikroorganizmów na działanie ultrafioletu wymaga dobrania odpowiedniej dawki promieniowania. Dla potrzeb dezynfekcji wody pitnej w wodociągach zwykle zakłada się skuteczność względem bakterii Escherichia coli na poziomie 99,9%. Taką skuteczność zapewnia dawka UV = 400 J/m².

uwagi: nie grozi również przedawkowaniem środka dezynfekcyjnego; zawiesiny i cząstki koloidalne mogą sorbować pewne ilości promieni UV, zmniejszając tym samym efekty dezynfekcji, dlatego wstępnie należy się ich pozbyć. Miarą skuteczności bakteriobójczego działania lampy jest procentowy udział energii oddawanej w postaci promieniowania UV-C o długości 254 nm w stosunku do energii pobieranej przez lampę. Proces dezynfekcji przebiega w sposób ciągły. Woda dopływa do urządzenia króćcem dopływowym i po napromieniowaniu odpływa króćcem odpływowym. W środkowej części komory napromieniowania zazwyczaj jest umieszczony czujnik pomiarowy UV-C.

PREPARATY CHEMICZNE

Poprawę jakoiści wody można osiągnąć stosując również różnego rodzaju preparaty chemiczne. Trzeba jednak pamiętać, że tego typu sposoby uzdatniania wody musi przebiegać w określonych warunkach, aby do wody nie dostało się zbyt dużo środka czyszczącego. Takie metody stosuje się w różnych branżach przemysłu i przy różnych technologiach uzdatniania wody, m.in. przy uzdatnianiu wody kotłowej, chłodniczej, technologicznej, do klimatyzacji, jak również przy dezynfekcji wody.

• dozowanie: dawkowanie preparatów odbywa się za pomocą stacji dozujących, w skład których wchodzą: pompa membranowa, zbiornik roztworowy oraz przewody doprowadzające.
• dawka: pompa dozująca może być sterowana za pomocą impulsów wysyłanych z wodomierza kontaktowego
• uwagi: w zależności od typu pompy istnieje też możliwość regulacji częstotliwości pracy elementu tłocznego oraz objętości wstrzyknięcia.
• środek uzdatniający w zależności od rodzaju uzdatnianej wody
  

Przy uzdatnianiu wody kotłowej dozuje się: preparaty korygujące odczyn pH; preparaty wiążące twardość resztkową; inhibitory korozji; preparaty wiążące tlen; preparaty wytwarzające warstwę ochronną (tzw. film ochronny) na powierzchniach metalowych elementów instalacji.

Przy uzdatnianiu wody chłodniczej oraz do klimatyzacji dozuje się: inhibitory korozji - preparaty wytwarzające warstwę ochronną (tzw. film ochronny) na powierzchniach metalowych elementów instalacji; biocydy hamujące rozwój glonów, grzybów i bakterii.

Przy dezynfekcji wody dozuje się: podchloryn sodu (NaOCl); inne preparaty służące do dezynfekcji wody (np. woda utleniona - specjalne zastosowania).

FILTRACJA MECHANICZNA

Filtracja mechaniczna początkuje uzdatniania wody w każdym przypadku. Stanowią jeden z najprostszych i najtańszych sposobów uzdatniania wody. Jest to proces pozbywania się zanieczyszczeń stałych, które występują w wodzie studziennej, jak również z sieci wodociągowych. Dotyczy to głównie piasku, blaszek rdzy, resztek materiałów uszczelniających itp. Filtry mają za zadanie usunąć te cząstki. Takie działanie ma bardzo dobry wpływ na ochronę przewodów i urządzeń w naszym domu pracujących z wykorzystaniem wody - kotły c.o. (tzw. kamień kotłowy), pralki, czajniki itp. Rynek oferuje szeroką gamę filtrów mechanicznych, których skutecznmość wynika z wielkość najmniejszych usuwanych cząstek. Atutem dobrej jakości filtrów mechanicznych do wody jest niski spadek ciśnienia oraz właściwy przepływ wody.

Filtry z możliwością spustu nagromadzonych zanieczyszczeń:

• zanieczyszczenia stałe zatrzymywane są na elemencie filtracyjnym z tworzywa sztucznego;
• nagromadzone cząstki zanieczyszczeń można okresowo usunąć z filtra poprzez otwarcie zaworu spustowego;
• element filtracyjny wymaga wymiany jedynie w przypadku jego uszkodzenia lub zbyt silnego zabrudzenia;
• skuteczność filtracji 90 µm.

Filtry z płukaniem przeciwprądowym (automatyczne lub półautomatyczne):

• wyposażone w mechanizm pozwalający na płukanie wsteczne - dokładne wypłukanie filtra bez konieczności odłączania go od instalacji;
• zanieczyszczenia stałe zatrzymywane się na elemencie filtracyjnym z tworzywa sztucznego lub stali szlachetnej;
• element filtracyjny wymaga wymiany jedynie w przypadku jego uszkodzenia lub zbyt silnego zabrudzenia;
• skuteczność filtracji 90, 100 lub 200 µm (w zależności od typu filtra).

Filtry ochronne z wkładami wymiennymi:

• częstotliwość wymiany wkładu filtracyjnego zależy od jakości i ilości przefiltrowanej wody;
• skuteczność filtracji zależy od zastosowanego wkładu.

FILTRACJA NA WĘGLU AKTYWNYM

Tego typu filtry służą do usunięcia z wody chloru, który jest efektem koniecznego procesu dezynfekcji tym związkiem wody w każdym ujęciu komunalnym celem pozbycia się bakterii. Taki proces wiąże się z nieprzyjemnym zapachem i smakiem jaki pozostaje w wodzie. Tego typu filtr wykorzystuje adsorpcję mieszaną (fizyczną i chemiczną). Stosując filtrację na aktywnym węglu pozbywamy się chloru i jego związków a także zanieczyszczeń organicznych, znika też przykry zapach oraz żółte zabarwienie. Tu jednak rodzie się pytanie, czy usunięcie chloru nie prowadzi do wtórnego zanieczyszczenia? Pewne jest, że taka woda nie może być spożywana bez uprzedniego przegotowania. Dlatego zaleca się dodatkowo zastosowanie dezynfekcji lampą UV.
 

Filtry nowej generacji posiadają możliwość przepływu zwrotnego wody stosowanego w celu okresowego przeczyszczenia wkładu filtracyjnego z większych zanieczyszczeń. Niezbędna jest również okresowa wymiana złoża.

Węgiel aktywny - produkowany z wybranych gatunków węgla kamiennego, co zapewnia utrzymanie stałej jakości uzdatniania wody. Struktura porów idealna do usuwania zanieczyszczeń w procesach uzdatniania wody i filtracji. Powierzchnia właściwa 900 m²/g złoża.

FILTRY - ODŻELAZIACZE I ODMANGANIACZE

Zwiększona zawartość manganu i żelaza oraz obecnością siarkowodoru i amoniaku wiąże się głównie z wodą z głębszych warstw, czyli podziemną, która jest mniej zanieczyszczona związkami pochodzącymi z działalnością gospodarczą. Wzrost zawartości żelaza i manganu negatywnie wpływa na właściwości organoleptyczne wody, zmiania się jej barwa i wzrasta mętność. Mieszaniny uwodnionych tlenków żelazowych i manganowych odpowiadają za rdzawe naloty na urządzeniach sanitarnych.
 

• Zawartość żelaza - od ilości śladowych do kilkudziesięciu mg/l
• Zawartość manganu - od ilości śladowych do kilku mg/l.

Usuwanie żelaza i manganu

Przy doborze metody usuwania żelaza i manganu istotny jest także prawidłowy dobór płukania filtrów. W zależności od wybranego materiału filtracyjnego rozróżnia się:

• płukanie wodno-powietrzne - filtry piaskowo-żwirowe (zalecane przy większych wydajnościach);
• płukanie wodne - filtry ze złożem wielowarstwowym katalitycznym lub złożem Birm;
• płukanie wodne z dozowaniem KMnO4 - filtry ze złożem Greensand.

OZONOWANIE

Ozon w uzdatnianiu wody stosuje się w roli czynnika dezynfekującego lub jako utleniacz. Likwiduje substancje zaburzające prawidłowy smak i zapach wody. Jego skuteczność jest bardzo wysoka -  niszczy bakterie Escherichia coli nawet do 3000 razy szybciej niż chlor.
 

• środek uzdatniający: ozon - działanie bakteriobójcze ozonu polega na zwiększeniu przepuszczalności błony komórkowej na skutek ozonolizy nienasyconych kwasów tłuszczowych występujących w lipidach. Powoduje to rozpad cząsteczki w miejscu podwójnego wiązania między atomami węgla na fragmenty o krótszym łańcuchu. Lipidy są ważnym składnikiem budulcowym nie tylko ścianki komórkowej, lecz także błony cytoplazmatycznej, osłaniającej protoplast. Wytwarzany przez generatory ozonu nazywane ozonatoram.
  

USUWANIE AZOTANÓW

Jednym z głównych problemów w jakości wody z płytkich ujęć jest sąsiedztwo nieszczelnych szamb. Taka woda z pewnością do najzdrowszych nie należy. Do tego powszechnie stosowane azotany w nawożeniu pól uprawnych powoduje spływanie tych związków i przenikanie do ujęcia wody. Spożywanie wody zawierającej jiny azotanów jest niebezpieczne dla zdrowia, zwłaszcza osób o słabym układzie pokarmowym i odpornościowym, jak dzieci. Może to przyczynić się do chorób niedokrwiennych oraz nowotworów.
 

• środek uzdatniający: selektywne żywice jonowymienne (anionity) regenerowane roztworem soli kuchennej (NaCl)
• uwagi: istotą procesu jest równoważna wymiana jonów azotanowych z uzdatnianej wody na jony chlorkowe z żywicy jonowymiennej. Instalacje tego typu powinny pracować w pełnej automatyce i w sposób ciągły dostarczać wodę pozbawioną azotanów.

WAŻNE -  usuwania azotanów (jak również innych soli) można przeprowadzić w ramach częściowej demineralizacji wody metodą odwróconej osmozy.

ZMIĘKCZANIE

Zmiękczania wymaga woda tzw. twarda, czyli zawierająca dużą ilość jonów wapnia i magnezu. Nadmierna twardość wody prowadzi do powstawania kamienia kotłowego, który stanowi relane zagrożenie dla funkcjonowania oraz wydajności procesu grzewczego w urządzeniach pracujących na zasadzie wymiany ciepła oraz większa zużycie środków myjąco-piorących.

Twarda woda - zgodnie z obowiązująca w naszym kraju normą ogólna twardość wody przeznaczonej do spożycia może zawierać się w przedziale 60-500 mg CaCO₃/litr. Poniżej 140 mg CaCO₃/litr woda jest miękka.

Zobacz także:

Kiedy montować zmiękczacz do wody

Klasyfikacja wody według twardości: jednostki oraz tabela przeliczeniowa

Twardą wodę należy zmiękczyć. Przed zmiękczaczem powinien być zainstalowany filtr mechaniczny, który zabezpieczy głowicę sterującą zmiękczacza i żywicę jonowymienną przed zanieczyszczeniami mechanicznymi, przyczyniając się tym samym do lepszej pracy i przedłużenia żywotności urządzenia. Woda poddawana zmiękczaniu powinna być również odżelaziona i odmanganiona, w przeciwnym wypadku część zdolności jonowymiennej zostanie wykorzystana na wymianę jonów żelaza i manganu. Ponadto ponadnormatywne ilości żelaza skracają żywotność żywicy jonowymiennej (nawet o 50%).

fot.: Kospel - magnetyzery Megamax

• sposób uzdatniania: usuwanie twardości na drodze wymiany jonowej
• dozowanie: twardość ogólna, będąca sumą twardości węglanowej i niewęglanowej jest usuwana na kationicie silnie kwaśnym w cyklu sodowym – podczas przepływu wody przez żywicę jonowymienną powodujące twardość jony wapnia (Ca2+) i magnezu (Mg2+) wymieniane są na jony sodu (Na+). Gdy zdolność jonowymienna złoża zostanie wyczerpana, jest ono poddawane regeneracji roztworem soli kuchennej (NaCl).
• dawka: częstość regeneracji zmiękczacza zależy od twardości oraz ilości uzdatnianej wody. Zmiękczacza uwzględnia zdolności jonowymienne urządzenia, tj. iloczyn trzech następujących wartości: twardość wody surowej [°d]; przepływ hydrauliczny [m³/h]; czas tworzenia się solanki potrzebnej do regeneracji żywicy jonowymiennej [ok. 6 h].
• uwagi: urządzenia zmiękczające wodę mogą być sterowane: czasowo (Z) - regeneracja następuje w zaprogramowanych odstępach dobowych, o zadanej godzinie lub objętościowo (WZ) i wtedy regeneracja następuje po zmiękczeniu zaprogramowanej objętości wody.

fot.: Uzdatnianie wody SBS - stacje zmiękczające wodę KELLER Family: sterowanie objętościowo-czasowe; posiada mikrokomputer, który umożliwia ustawienie parametrów pracy systemu uzdatniania wody dostosowanych do konkretnych warunków