IPARI VÍZGAZDÁLKODÁS

IPARI VÍZGAZDÁLKODÁS I. Ipari víz és szennyvíz kezeléstechnológiák II. Üzemi vízgazdálkodási rendszerek

Szerző: Dr Kelemen László c. egyetemi docens Lektor: Krause Attila okl. vegyészmérnök Dr. Kelemen László e-mail címe: [email protected]

Budapest. 2011.

II

III

Tartalomjegyzék: I. IPARI VÍZ és SZENNYVÍZ KEZELÉSTECHNOLÓGIÁK Tájékoztatás. 1. Általános ismeretek............................................................................................1 1.1. Az ipar vízhasználatai 4 1.2. Az iparivíz és használtvíz mennyisége és minősége 10 1.2.1. A víz műszaki jellemzése……………………………………………… 10 1.2.2. A víz térfogatárama 11 1.2.3. Az iparivíz és használtvíz minősége 18 2. Üzemi vízellátó és használtvíz elvezető hálózatok……………......................19 2.1. Vízellátó hálózatok 19 2.2. Üzemi használtvíz elvezető hálózatok 22 3. Ipari sajátos vízkezelési eljárások....................................................................26 3.1. Az ipar vízbeszerzése és vízhasználata 26 3.2. Membrán technika a vízkezelésben 32 3.2.1. Az ozmózis és fordított-ozmózis…………………………………………33 3.2.2. Vákuumos membránszűrés 39 3.2.3. Elektrodialízis 39 3.3. Szűrőgyertyák 40 3.4. A víz lágyítása kicsapással…………………………………………………. 40 3.4.1. Meszes lágyítás 40 3.4.2. Mész-szódalágyítás 44 3.4.3. Savas lágyítás…………………………………………………………….45 3.4.4. Termikus vízlágyítás 45 3.4.5. Mágneses vízkezelés (lágyítás) 46 3.5. Ioncsere a vízkezelésben (kemoszorpció)……………………………………46 3.5.1. Na+ cserés lágyítás 47 3.5.2. Egyáramos részleges sótalanítás 49 3.5.3. Teljes sótalanítás ioncserével………………………………………… .50 3.5.4. Ioncserélő oszlopok regenerálása 53 4. Ipari sajátos használtvíz kezelési eljárások 55 4.1. Az ipari használt vizek szennyezései……………………………………… 55 4.1.1. Az iparágak használt vizei 56 4.1.2. A kibocsátásra kerülő ipari szennyvizek előtisztítási igénye 61 4.2. Az ipari használtvizek, gyakran alkalmazott sajátos kezelési eljárásai……...63 4.2.1. A víz pH értékének szabályozása 63 4.2.2. Fémfelület kezelő üzemek szennyvizei 65 4.2.3. Fémionok kicsapása pH beállítással 68 4.2.4. Nehézfémek kinyerése ioncserével és elektrolízissel 72 4.2.5.Cianid tartalmú szennyvizek tisztítása 75 4.2.6. Fémszemcsével szennyezett iszapok kezelése és elhelyezése………… 76 4.2.7. Olajos, zsíros szennyvizek tisztítása 77 4.2.8. Radioaktív szennyvizek kezelése 82 5. Az ipar vizes hűtései és a hűtővíz visszahűtése 83 5.1. Az ipar hűtési feladatai 83 5.1.1. Termékek hűtése 83 5.1.2. Berendezések, szerkezetek hűtése 84

IV

5.2. Alkalmazott hűtési eljárások…………………………………………………84 5.3. A vizes hűtőelemek 85 5.3.1. Gőzök, gázok, folyadékok hűtőelemei 86 5.3.2. Szilárd termékek, szerkezetek hűtőelemei……………………………….86 5.3.3. Belső zárt hűtőelemek 86 5.3.4. A vizes hűtőelemek hőtechnikai rövid áttekintése 87 5.4. A hűtéshez szükséges hűtővíz mennyiség…………………………………...90 5.5. A hűtővíz visszahűtő berendezései 91 5.5.1. Nedves hűtőtornyok (hűtőcellák) 91 5.5.2. Száraz hűtőtornyok………………………………………………………97 5.5.3. Hibrid hűtőtornyok 98 5.5.4. Hűtőtavak 99 5.5.5. Hűtőmedencék 100 II. ÜZEMI VÍZGAZDÁLKODÁSI RENDSZEREK 6. Az üzemi vízgazdálkodás104 6.1. Az üzemi vízgazdálkodás alapfogalmai 101 6.1.1. Vízmennyiségek jelölése 101 6.1.2. Vízminőségek jelölése…………………………………………………..102 6.2. Az üzemi vízgazdálkodás modelljei 103 6.2.1. Az üzemi vízgazdálkodás általános modellje 103 6.2.2. Az üzemi vízhasználatok alap modelljei………………………………...106 – Az átfolyó vízhasználati modell 106 – A recirkulációs vízhasználati modell 107 6.3. Az üzemi vízhasználati modellek rendszerbe kapcsolása…………………...113 6.3.1. Az üzemi vízhasználati rendszer-változatok kialakítása 113 7. Üzemi hűtővíz rendszerek kialakítása 118 7.1. Hűtővíz ellátó típus modellek……………………………………………….118 7.2. A hűtővíz minősége 125 7.2.1. A hűtővíz lebegő szennyeződései 126 7.2.2. A hűtővíz olaj szennyezése……………………………………………...129 7.2.3. A hűtővíz hidrogénkarbonát szennyezése 130 136 7.2.4. A hűtővíz SO4 és Cl szennyezése 7.2.5. Hűtővízszennyezések a hűtőlevegőből………………………………….137 7.2.6. A hűtővíz körben fellépő sóbesűrités 139 7.3. A forgatott hűtővizek vegyszeres kezelése 142 7.3.1. Korrózió a vízrendszerekben……………………………………………144 7.3.2. A korróziót gátló inhibitorok 149 7.3.3. A kőkiválást gátló inhibitorok 153 7.3.4. A kiülepedést gátló inhibitorok………………………………………….154 7.3.5.A biológiai szervezetek túlprodukcióját gátló inhibitorok 155 7.4. A recirkulációs kör részáramának kezelése 160 7.5. Hűtővíz veszteségek a nedves hűtőtornyokban 163 A párolgási veszteség 163 A párolgási veszteség közelítő meghatározása 165 A kihordott vízmennyiségek 167 A víz kezelése során elvesző vízmennyiségek 167 Szivárgási, szóródási veszteségek 168 A lebocsátás (iszapolás) 169

V

8. Az ipari kazánok vízellátása

169

8.1. A kazánok vízrendszerében fellépő káros hatások kiküszöbölése 170 8.1.1. A vízminőség hatása a korrózióra………………………………………170 8.1.2. A hőmérséklet hatása a korrózióra 170 8.1.3. Az áramlási sebesség hatása a korrózióra 170 8.1.4. A vízkő kiválás megakadályozása………………………………………171 8.1.5. Inhibitorok adagolása 171 8.2. A gőzkazánok vízellátása 171 9. Az üzemi vízgazdálkodás rendszer-tervezése………………………………174 9.1. A rendszer-tervezés fázisai 174 9.1.1. A tervezés előkészítő fázisa 174 9.1.2. A tervezési fázis…………………………………………………………175 9.1.3. A próbaüzemi fázis 177 9.2. Az ipar frissvíz igénybevételének nemzetgazdasági szerepe 177 9.2.1. Az n szerepe a vízkészletek veszteségeinek alakulásában………………178 9.2.2. Az n szerepe a vízkészletek minőségének alakulásában 178 Irodalomjegyzék 180 Függelék………………………………………………………………………....182 F-1. Szénerőmű vízforgalmi diagramja 182 F-2. Papírgyár vízforgalmi diagramja 183 F-T. A vízkezelésben leggyakrabban használt vegyszerek 184 Ábrajegyzék: 1. FEJEZET 1. ábra: Ipari gyártástechnológia anyagforgalmi sémája 2 2. „ : A pH értéke vizes oldatokban 7 3. „ : A CO2, HCO3, CO3 mennyiségi kapcsolata a pH-val…………………..9 4. „ : Ultrahangos vízhozam mérés elve nyílt-csatornában 13 5. „ : Szűkítő elemes vízhozammérők nyomás vesztesége zártcsőben 15 6. „ : Indukciós vízhozammérés zárt csővezetékben…………………………16 7. „ : Ultrahangos vízhozammérés zárt csővezetékben 17 2. FEJEZET 8. „ : Ágvezeték hálózat 20 9. „ : Körvezeték hálózat……………………………………………………..21 10. „ : Ikervezeték hálózat 21 11. „ : Beágyazott korszelvényű csatornák teherbírása 24 12. „ : Beágyazott tojásszelvényű csatornák teherbírása………………………24 13. „ : Monolit-beton csatornaszelvények 1. 25 14. „ : Monolit-beton csatornaszelvények 2. 25 3. FEJEZET 15. „ : Hagyományos hőerőmű energia mérlegének diagramja 30 16. „ : Szennyvíztisztítás fajlagos költsége 31 17. „ : A különböző vízhasználati módok környezetszennyezése……………..32 18. „ : Fordított ozmózis 33

VI

19. „ : RO modulok rendszerbe kapcsolása 38 20. .„ : Elektrodialízis elvi sémája……………………………………………...39 21. „ : Meszes lágyítás lassú reaktorral 41 + 22. „ : Na cserélő lágyítás 48 23. „ : Egyáramos részleges sótalanító………………………………………...49 24. „ : Kétlépcsős teljes sótalanító, gáztalanítóval 50 25. „ : Négylépcsős sótalanító 51 26. „ : Kevertágyas sótalanító………………………………………………….52 27. „ : Ioncserélő oszlop (kation) vízszennyező iontartalma 54 4. FEJEZET 28. „ : Fémfelület-kezelő üzemek szennyvíztisztító technológiái I. 72 29. „ : Fémfelület-kezelő üzemek szennyvíztisztító technológiái II. 73 30. „ : A gázbuborék és a szemcse kapcsolódása 79 5. FEJEZET 31. „ : Az ipari hőcserélők alaptípusai 89 32. „ : Közeghőmérséklet alakulása a különböző hőcserélőkben 89 33. „ : Hűtőtorony típusok……………………………………………………..92 34. „ : 435 MW-os természetes huzatú nedves hűtőtorony 93 35. „ : Ventilátoros keresztáramú, nedves hűtőcella 94 36. „ : A relatív légnedvesség meghatározása………………………………….96 37. „ : Hűtőtavak 99 38. „ : Hűtőmedencék 100 6. FEJEZET 39. „ : Az üzemi vízgazdálkodás létesítményei 101 40. „ : Az üzemi vízgazdálkodás általános modellje 105 41. „ : Átfolyó vízhasználati modell…………………………………………...107 42. „ : Recirkulációs vízhasználati modell 108 43. „ : A besűrítés hatása a pótvíz mennyiségére és minőségére 111 44. „ : A rendszer egyensúlyi egyenleteinek grafikus megoldása……………...112 45. „ : Párhuzamosan kapcsolt átfolyó vízhasználat 113 46. „ : Sorba kapcsolt átfolyó vízhasználat 114 47. „ : Recirkulációs vízhasználati körök……………………………………....115 48. „ : Párhuzamosan kapcsolt recirkulációk 116 49. „ : Sorba kapcsolt recirkulációs körök 117 50. „ : Vegyes modellek 117 7. FEJEZET 51. „ : Frissvizes (átfolyó) hűtés 119 52. „ : Frissvízhűtésű rendszer utóhűtővel 119 53. „ : A hűtővíz részáramos visszaforgatása………………………………….120 54. „ : Nyitott recirkulációs hűtővíz-kör 120 55. „ : Hűtőtavas recirkulációs hűtővíz-kör 121 56. „ : Hűtő-medencés recirkulációs hűtővíz-kör………………………………121 57. „ : Léghűtéses zárt recirkulációs hűtővíz-kör 122 58. „ : Kétkörös recirkulációs hűtővíz modell 123 59. „ : Nedvesített lemezbordás zárt recirkulációs hűtővíz modell 123 60. „ : Nyitott és zárt recirkulációs hűtővíz modell 124 61. „ : Elgőzölögtető hűtésű, hőhasznosító hűtővíz-kör……………………….125 62. „ : Közvetlen légkondenzáció 125 63. „ : A vízkő kiválás hatása a hűtőelem falhőmérsékletére 131

VII

64. „ : A víz CO2 tartalma……………………………………………………...132 65. „ : Langelier és Ryznár indexek grafikus meghatározása 135 66. „ : A levegő SO2 tartalmának hatása a hűtővízre 139 67. „ : A sóbesűrités folyamata………………………………………………...140 68. „ : A só kiválás és beoldódás folyamata 142 69. „ : Recirkulációs hűtővíz-kör részáram kezelése 161 70. „ : Párolgási-veszteség nomogram 164 8. FEJEZET 70/a. „ : Gőzkazánok vízrendszerének vázlata 172 Táblázatjegyzék 1. táblázat: A p és m lúgosság összefüggései……………………………………42 2. „ : Több ipari szennyvízre jellemző szennyezés és tisztítási eljárásuk 57 3. „ : Savak közömbösítése 63 4. „ : Semlegesítésre használt anyagok……………………………………63 5. „ : 1 kg sav közömbösítéséhez elméletileg szükséges lúg 64 6. „ : A fémfeldolgozók vízszennyezései 66 7. „ : A fémionok kicsapása pH beállítással…………………………………..70 8. „ : 1 kg nehézfém kicsapásához szükséges vegyszer 69 9. „ : A hűtővizek megengedhető átlagos lebegőanyag koncentrációja 128 10. „ : Hővezetési tényező értékek………………………………………….130 11. „ : Az egyensúlyi pHe paraméterei 134 12. „ : A hűtővizek megengedhető legjelentősebb oldott szennyezései 137 138 13. „ : A szabad CO2 hatása a víz pH értékére

1

IPARIVÍZ

I. IPARI VÍZ ÉS SZENNYVÍZ KEZELÉSTECHNOLÓGIÁK TÁJÉKOZTATÁS: A jegyzet anyaga azoknak a hallgatóknak készült, akiket az ipar víz és szennyvíz kezelése, valamint az ipari üzemek vízgazdálkodási rendszereinek tervezése érdekel, és ezt a választható tárgyat felvették. Továbbá akik már a kommunális víz- és szennyvíztisztítás tárgyakat lehallgatták, ugyanis ez a jegyzet túlnyomóan a speciálisan ipari vízés szennyvíz-kezelési technológiákkal és az ipari üzemek vízgazdálkodásának rendszertervezésével foglalkozik (az ivóvíz és a kommunális szennyvizek tisztítását nem tárgyalja). a Szerző. 1. ÁLTALÁNOS ISMERETEK Az ipari vízgazdálkodás fejlesztése, korszerűsítése, azaz: a vízigények és a rendelkezésre álló vízkészletek egyensúlyának biztosítása, a nemzetgazdaság tartós növekedéséhez elengedhetetlenül fontos. Tekintettel arra, hogy az ipar a nemzetgazdaság legnagyobb frissvíz használója (~80 %), a legnagyobb és a legkellemetlenebb szennyvizek kibocsátója(~75-80 %), a komplex igényű vízkészletgazdálkodás és vízminőségvédelem, a víztakarékos, és szennyezőanyag-visszatartó ipari vízgazdálkodás nélkül nem valósítható meg. A vízkészletek jelenleg még ugyan kielégítőnek mondhatók, bár az ország különböző térségeiben nagyon egyenlőtlenül oszlanak meg, ami esetleg már időszakos és/vagy lokális vízhiányt, de legalábbis a készlet jól érzékelhető korlátozottságát jelenti. Magyarország évente (~97 %-os valószínűséggel) megújuló felszíni, felszín-közeli vízkészlete – a csapadék és a párolgás különbsége – mintegy 6 km3, az országba belépő vízmennyiség 114 km3, a kilépő 120 km3 évente, ezzel állítható szembe az éves vízigények összege. Ez az összehasonlítás természetesen csak az első közelítés, mert nem tartalmazza azt, hogy valamely vízmennyiség felhasználása után megtisztítva és megtisztulva máshol és később készletként jelentkezhet. A megújuló készletek döntő többségét jelentő felszíni vízfolyások vízjárásához azonban alkalmazkodni vagyunk kénytelenek. Készlet csak az, ami az elméleti mennyiségből akkor és ott hozzáférhető. A készletek és az igények idősorainak eltéréseit – természetesen – ki lehet egyenlíteni: tározással, nálunk meglehetősen kedvezőtlen feltételekkel. A síkvidéki tározásnál mind a fajlagos költség, mind a vízminőség romlásának veszélye nagy. Ugyanekkor ezekből a vízbázisokból mind nehezebb a felhasználók számára megfelelő minőségű vizet vételezni. E folyamatban egyre növekszik a víz- és szennyvízkezelő technológiák bonyolultsága és természetesen a költsége. A kielégítendő feltétel ezért az, hogy a termelés növekedésével a vízgazdálkodás fajlagos költségei ne növekedjenek. Az ipari üzemekben a gyártástechnológiai, a környezetvédelmi és a vízgazdálkodási feladatok szerves összefüggésben vannak. Ezt szemlélteti egy ipari technológia, anyagforgalmi sémája. (1. ábra) Az ipari gyártástechnológiába belépő nyersanyag, félkésztermék, segédanyag, valamint az energia különböző formái, mind potenciális környezetszennyezők. A technológiai folyamatokból különböző utakon kikerülő anyagok – ami az anyagmérleg alapján egyenlő az oda bevitt anyagok mennyiségével (Σ mbe = Σ mki) – tekintélyes része a

IPARIVÍZ

2

környezetbe távozik, ha ezt nem gátoljuk meg. Még a technológiákból termékként kilépőanyag jelentős része is a raktározás, szállítás és külső felhasználás során hulladékká válik.

1. ábra: Ipari gyártástechnológia anyagforgalmi sémája A technológiából már hulladékként kilépő anyagok (gőzök, gázok, szállópor, szennyvíz, tömény gyártási hulladék) környezetbe kilépését meggátló műveletek és eljárások egységes rendszerét ésszerű kialakítani, mivel csak úgy lehet a leghatékonyabban és leggazdaságosabban megvalósítani a környezet védelmét: a levegőszennyezés esetén a száraz szűréskor hulladék keletkezik (elszállítják a hulladékkezelőbe, tárolóba), a levegő vizes mosásakor szennyvíz keletkezik (elszállítják a szennyvíztisztítóba), a hulladékok kezelése, tárolása során szennyvíz keletkezik (elszállítják a szennyvíztisztítóba), a termék raktárak hulladékait részben hulladéktárolóba viszik, részben vízzel elmossák, és az megy a szennyvíztisztítóba, a szennyezett vizek tisztításakor kinyert tömény szennyező anyagot a hulladékkezelőbe és tárolóba szállítják, a szelektíven gyűjtött hulladékot kezelés után visszaviszik a technológiába nyersanyag, ill. félkész termékként, vagy feldolgozás után késztermékként értékesítik, a szennyvíztisztítóban megtisztított vizet visszaviszik a technológia vízellátási céljaira, vagy más technológia, vagy üzem vízigényét ebből elégítik ki, megtakarítva a frissvíz használatot.

IPARIVÍZ

3

A fentiekből világosan kitűnik, hogy egy ipari üzem környezetvédelmének hatékonysága az üzemi belső rendszer kialakításán múlik, ezért annak meghatározott pontjait, kritikus esetekben a környezetgazdálkodás részéről szabályozni szükséges. Az ipari termelési tevékenységek környezeti hatásvizsgálatai során minden kétséget kizáróan igazolódott, hogy a vízkészletek minőségének és mennyiségének védelme csakis együtt végezhető eredményesen. Tehát a jogi és műszaki szabályozás is a felhasználók részére csak egységesen lehet hatékony. Az ipari vízgazdálkodás fejlődése A hazai ipari vízgazdálkodás fejlődése az ipar fejlődésétől bizonyos mértékben elmaradt, bár a magyar ipar fejlődése nem mondható kiegyensúlyozottnak sem a két világháború között, sem a második világháború után. 1945 után, a szocialista ipar fejlődésének első szakaszában, az iparban vízgazdálkodásról nem lehet beszélni. Ebben az időben úgyszólván csak ipari vízellátással foglalkoztak, de sem a felhasznált víz mennyisége, sem a minősége – a mai értelemben vett követelményeknek – nem felelt meg. Az ipari üzemekből kibocsátott használt vizek – a termelésükhöz viszonyítva – nagy mennyiségű szennyezőanyagot (ipari nyersanyagot, segédanyagot, félkész és készterméket) szállítottak a befogadókba. A 60-as évek elején az ipari vízszennyezések olyan méreteket öltöttek egyes folyóinkban és tavainkban, hogy a kormányzat bírság tételek kiszabásával kívánta korlátozni az addig korlátlan ipari vízszennyezéseket (1961. évi szennyvízbírság rendelet). Az egyre növekvő ipari termelés és vele közel arányos vízszennyezés növekedése miatt 4-5 évenként egyre szigorúbb kibocsátási értékhatárokat szabtak meg az újabb és újabb szennyvízbírság rendeletek. A 70-es évek elején, több iparvidékünkön egyre szorítóbb vízhiány jelentkezett. Ami azt jelentette, hogy az iparfejlesztések számára szükséges frissvizet, a továbbiakban csak költséges tározókkal, vagy tekintélyes távvezetékekkel lehet biztosítani. A 70-es években – részben a vízhiány, részben az egyre szigorúbb szennyvíz kibocsátási határértékek miatt – az ipar vízgazdálkodásának fajlagos költségei rohamosan emelkedtek (10 év alatt kb. 2,5 – 3,0 szorosára). A 70-es évek vége felé az ipar legtöbb területén a víz ellátásában igen gyors fordulat következett be. Elindult az ipar az extenzív vízgazdálkodásról az intenzív irányba fejlődni. Csökkentették a frissvíz felhasználást egyre több vízújrahasználattal (elsősorban a hűtővizek esetében). A vízforgatással arányosan csökkent a kibocsátott szennyvizek mennyisége is, bár a szennyezőanyag koncentráció növekedett. A koncentrációnövekedés azonban egyenes út abba az irányba, hogy elkerülhetetlen a szennyvizek tisztítása, bár ez által (kis vízhozam, nagy koncentráció) elérhető a lényegesen kisebb költségű szennyezőanyag eltávolítás. A 80-as években kezdett elterjedni az iparban az a szemlélet, hogy a szennyvizekből a szennyezőanyagokat minél kisebb vízáramból, minél nagyobb koncentrációból lehet a leggazdaságosabban kinyerni. Tehát közvetlen a gyártástechnológia után kell a legtöbbször kis mennyiségű, de igen tömény szennyvizeket tisztítani (előkezelés). Nem egy üzemben, napjainkban a gyártástechnológia fejlesztését már úgy alakítják, hogy az csekély mennyiségű frissvizet igényeljen, és ne bocsásson ki „kezeletlen” vagy nagy mennyiségű szennyvizet. Az iparban a korszerű vízgazdálkodás alkalmazása ma is, de a jövőben egyre inkább gazdasági kategóriává válik. Az üzemeknek nem elemenkénti költség-minimalizálást, hanem az egész üzemi vízgazdálkodásnak a termékre vetített fajlagos költség-minimumát kell elérni. Ezeknek a költségeknek ill.

IPARIVÍZ

4

haszonnak tartalmazni kell nemcsak a szorosan vett vízgazdálkodás költségeit, hanem a termelésben előállított hasznot, a berendezések élettartam-növekedéséből a karbantartás csökkenéséből származó eredményt is. Eredményként kell továbbá elszámolni a visszanyert vízszennyező anyagok értékét is. Ilyen szemlélettel és a megújuló ipari technológiák figyelembevételével elmondható, hogy hosszabb távon az ipar vízgazdálkodása és vízminőségvédelme, nem csupán kiadásokkal jár, hanem gazdaságos termelési kategóriává válik. 1.1.

Az ipar vízhasználatai

Az ipari termelés nélkülözhetetlen anyaga a víz, amit sokféle célra használnak, akár közvetlenül a termelési folyamatban, akár közvetve segédanyagként. Az ipari vízhasználatokat a tárgyalás céljától függően többféleképpen csoportosíthatjuk. Mindenesetre az ipari termelési folyamatokban alkalmazott víznek két alapparamétere van, a mennyiség és a minőség. E két tényező kellő pontosságú ismerete nélkül nem beszélhetünk sem üzembiztonságról, sem gazdaságosságról. Így: üzemi vízgazdálkodásról sem. Mind a vízmennyiségi, mind a minőségi igény a termelési céltól és az ennek elérése érdekében alkalmazott gyártástechnológiáktól függnek. Az iparban használt vízféleségek, a felhasználás célja szerint a következők: Nyersanyagvíz: A víz a termékek egyik alapanyaga; nyersanyagként szerepel a víz az élelmiszeriparban, könnyűiparban, vegyiparban, építőanyag-iparban (az erőművek kazántápvizeit a következőkben külön tárgyaljuk) stb. Minthogy a víz gyakran az ipari termék lényeges részét képezi, mennyiségével és minőségével szemben, a gyártmánytól függően változó követelmények jelentkeznek. Kazántápvíz: Gőztermelésre, energiatermelésre, vagy fűtés céljából. A kazánvizek és tápvizek minőségi követelményei magasak. Éppen a magas víztisztasági követelmények miatt a kazánvizek, tápvizek és egyéb finomvizek előállítása többfokozatú tisztítást igényel, ezért költséges. Az üzemben keletkező kondenzvizek nagyobb arányú összegyűjtése és visszavezetése (újrahasználata) ésszerű feladat. Hűtővíz: A legtöbb vizet az ipar, hűtésre használja: a villamosenergia-iparban, vegyiparban, kohászatban stb. A hűtés történhet közvetett, vagy közvetlen rendszerrel. Közvetlen hűtésnél, különösen, ha élelmiszerről, élvezeti cikkről van szó, vagy hűtővízzel a dolgozók bármi módon érintkezhetnek, a víz fertőzési lehetőségét ki kell zárni. Az elhasznált víz – lehűtése és szükség szerinti tisztítása után – visszavezethető, vagy – akár melegen – más üzemrészben fölhasználható. E csoportba tartoznak még a kazánsalak, - és a kemencéből kitolt koksz hűtésére szolgáló – hasonlóképpen a salak granulálók oltási vizei is. E vízfajtákkal szemben a követelmények szerények, de ezek újra használata ritkán valósítható meg. A víz egy része a felhasználás során elpárolog. Öblítő-, mosóvíz: Az e csoportban tartozó vizeket a nyersanyagok (konzervipari nyersanyagok, cukorrépa, nyers gyapjú stb.), valamint csomagolóedények, dobozok, burkolatok mosására, vagy a

IPARIVÍZ

5

technológiai folyamat valamely helyén a kezelt felületekről a kémiai hatóanyag leöblítésére, lemosására (gépipar, fémtömegcikk-ipar) használják. Az élelmiszeriparban ez a vízfajta többször ivóvízminőséget jelent, egyéb mosásnál, öblítésnél arra kell tekintettel lenni, hogy a felületről elpárolgó víz után lehetőleg ne maradjanak vissza lerakódások (a felületkezeléseknél ez megengedhetetlen), tehát az öblítő-, mosóvíz keménysége és egyéb oldott és lebegőanyag-tartalma legyen alacsony. Ugyanakkor a szennyezései gyakran értékes anyagok. Érdemes kinyerni, és a tisztított víz újra használható. Szállító víz: Az ipar több területén, számos iparágban így a bányászatban, kohászatban, villamosenergia-iparban, élelmiszeriparban stb. a nyersanyagok, félkész és késztermékek, továbbá a hulladékok szállítása hidraulikai úton úsztatással vagy zagyszállítással történik. Minőség tekintetében igények általában nincsenek, a mennyiség azonban legtöbbször tetemes, éppen ezért a víz visszanyerésére, forgatására törekedni kell, mivel befogadóba tisztítás nélkül nem bocsátható. Osztályozó víz: Ez a vízféleség a mosó- és szállítóvizek körébe tartozik; a technológiákban ezek legtöbbször egymás után következnek, gyakran nehezen elválasztható módon. E vízfajta szuszpenzió készítésére szolgál az ércdúsítás (flotálás), szénosztályozás, konzervipari, kerámiaipari stb. nyersanyagok előkészítése során. Ismételt felhasználása a szállítóvizeknél tárgyaltakhoz hasonlóan történik. Oldószer víz: Több gyártási folyamat oldószerként használja a vizet, pl.: a cukor kioldása a répaszeletből, a cefre készítése, egyes növényi kivonatok készítésénél és a különféle kemikáliák gyártása során. Ugyancsak oldószerként használja a vizet a textilipar a kész termékek festésénél és kikészítésénél; a galvanizálásnál elektrolitek előállítására, a különböző iparágak festő és pácoldatok készítésére. Az ilyen célú vízzel szemben támasztott követelmények – ennek megfelelően – igen különbözőek. A szennyezőanyagok eltávolítása után az oldóvíz visszavezetése és újrahasználata előnyös, mert a hatóanyagok egy része a használt vízben marad. Képlékenyítő víz: A papíriparban és az építőiparban (tégla, kerámia) a nyersanyagok képlékennyé tételére, formázhatóságára szolgál ez a vízfajta. A finom kerámiák készítésénél követelmény a víz (csaknem) vasmentessége. Lazító víz: Ezt a vizet a textil- (len, kender), cellulóz,- farost-, bútoripar stb., a növényi és állati rostok és szövetek áztatás, kioldás, vízfelvétel útján történő fellazítására használja. E műveletek után közvetlen újrahasználat alig lehetséges, tekintve, hogy az elfolyó (szenny) víz magas szervesanyag tartalmú, nehezen tisztítható. Egyéb ipari víz: A felsoroltakon túl még igen nagyszámú vízfelhasználási cél volna fölsorolható (pl.: főző, kristályosító, energiaközvetítő, vákuumlétesítő, táptalaj víz mikroorganizmusok ipari tenyésztésére stb.) esetenként nagyon különböző követelményekkel.

IPARIVÍZ

6

Járulékos vízhasználatok: Járulékos vízhasználat a szociális vízellátás: az ivó és használati víz, az üzemi konyhák, mosdók, zuhanyzók, WC-k ellátása, valamint az öltözők, irodák és gyártó helyiségek takarítására, az üzemi utak, parkok, sportlétesítmények locsolására. A tűzoltás vízigénye egyfelől egy szállítókapacitást jelent, amellyel a hálózat(ok)nak rendelkezniük kell, az oltás esetére, másfelől valamely tartalék oltóvízkészlet biztosítását jelenti, amely meghatározott ideig az oltáshoz szükséges vízmennyiséget biztosíthatja. A vonatkozó előírások betartása mellett mindkettő (a tűzoltóvíz-hálózat és a tartaléktároló is) lehet többcélú. A tűzoltóvíz-mennyiség és a tartalék számításánál a hatályos BM rendelet szerint köteles a tervező és az üzemeltető eljárni. Az ipar vízmennyiségi igénye Az ipar évi teljes vízszükséglete az a vízmennyiség, amelyet az ipar egy esztendő alatt termékei előállítása során használt. Ennek csupán egy hányada a frissvíz (igény). A teljes vízigény és a friss vízigény különbözetét az ipar vízújrahasználattal fedezi. 1997. évben a magyar nemzetgazdaság összes frissvíz használatának 83 %-át az ipar használta (4696 Mm3/év).Az ipar a teljes vízhasználatának, 90 %-át (6938 Mm3/év) hűtésre használja. A villamos-energia ipar a teljes ipari vízhasználatnak 67 %-át (5816 Mm3/év) használta. Az ipar vízminőségi igénye: Az ipar termelési folyamatai során használt vizek az ún. „ipari vizek”, melyek minősége a felhasználás céljától függően igen tág határok között változik. Az ipari víz elnevezés tehát nem vízminőséget jelöl, hanem a víz használatának célját határozza meg. Vannak pl. olyan üzemek, amelyek bizonyos célokra ivóvíz minőségű vizet használnak, ettől függetlenül ez a víz is ipari víz. Amíg a jó minőségű ivóvíz egyetlen minőségi adatsorral jellemezhető, a jó minőségű ipari víz követelményeit úgyszólván minden ipari technológia minden vízhasználó helyére külön-külön adatsorral lehet csak megadni. Ezen adatsorok között szerepelnek az ivóvízével azonos, illetve annál lényegesen kisebb, vagy nagyobb szennyezőanyag-határértékek is. Az ipari vizek minőségi igényeinek megállapítására tehát a vízhasználatának célját és körülményeit, valamint a vízhasználó berendezések típusát, szerkezeti kialakítását kell gondosan megvizsgálni. A vízminőségi-jellemzők néhány összefüggése: A víz fizikai-kémiai sajátságait a gyakorlatban a H+ ionok koncentrációjának negatív logaritmusa, a pH jelzi. (2. ábra) pH = - lg CH+

IPARIVÍZ

7

2. ábra Vizes oldatok pH értéke a gyakorlatban A legfontosabb vízkémiai jellemzők: a víz keménysége (összes, karbonát, nem karbonát, kalcium, magnézium); a víz lúgossága; („p” és „m” lúgosság) egyéb oldott anyag (ionok, gázok) tartalom lebegő anyagok

IPARIVÍZ

8

A víz keménységét az oldott kalcium (Ca++) és magnézium (Mg++) okozza. A keménység lehet: karbonát (vagy változó) keménység, amelyet a hidrogén-karbonáthoz (HCO¯3) kötött kalcium és magnézium ionok okoznak; nem karbonát (vagy állandó) keménység, amelyet az egyéb anionokhoz kötött Ca++ és Mg++ ionok okoznak; összes keménység, a fenti kettő összege; látszólagos keménység, az a karbonátkeménység, amely nátrium, ill. kálium hidrogénkarbonátként van jelen (szikes vizek). A keménység mértéke a (német) keménységi fok, egysége a 10 mg CaO-dal egyenértékű Ca++, ill. Mg++ ion. A víz összes keménysége a vízben oldott összes kalcium és magnézium ionból számítható; a karbonát keménység pedig a víz lúgosságából. A lúgosság a vízben oldott hidrogénkarbonátok, hidroxidok és karbonátok jelenlétének mértéke. (Döntő a hidrogénkarbonát, ezért is lehet a lúgosságot változó keménység számítására használni.) A lúgosság 1 liter víz semlegesítéséhez fölhasznált sósav normál-oldat millilitereinek száma. A titrálás jelzőfolyadéka metilnarancs (m), vagy phenolphtalein (p); ennek megfelelően van „m” lúgosság (az összes lúgosság) ill. „p” lúgosság (a hidroxidok és karbonátok). A kalcium- (és magnézium) hidrokarbonátok CO2-je képezi az összes kötött szénsavat, amelynek fele a karbonátokban marad (ez a kötött szénsav), másik fele felszabadul a karbonátképződéskor (ez a félig kötött szénsav). A hidrogénkarbonátok vízben jól oldódnak, de ahhoz, hogy oldatban maradjanak, a víznek szabad szénsavat kell tartalmaznia; ez a tartozékos szénsav. Ha a szabad szénsav több ennél, akkor a fennmaradó mennyiség a fölös CO2. A víz CO2 tartalma a hőmérséklettől és a karbonát keménységtől függ, és természetesen összefüggés van a víz pH-ja és a szénsavtartalom között is. (3. ábra) Ha a szabad CO2-t tartalmazó víz mészkővel /CaCO3/ érintkezik, akkor azt oldja. Az oldódás folyamán azonban a keletkező hidrogénkarbonátok növelik a víz karbonátkeménységét és ezáltal a tartozékos szénsav mennyiségét is. Ez utóbbi okból a szabad szénsavnak csak egy része mészagresszív, mert a másik része állandóan az oldódás miatt növekvő tartozékos CO2 igényt fedezi. (3. ábra)

IPARIVÍZ

9

3. ábra: A CO2, HCO3, CO3 mennyiségi kapcsolata a pH-val A szabad szénsavnak a betonra gyakorolt hatását az alábbi reakció szemlélteti: CaSiO3 + 2 H 2CO3 = Ca ( HCO3 ) 2 + H 2 SiO3 A betonra tehát azok a vizek agresszívak, amelyek mészre agresszív CO2-t tartalmaznak; de nem minden mészre agresszív víz támadja meg a betont, csak az, amelyiknél pH < 7. Amíg a mészre és a betonra a fölös szabad szénsavnak csak egy része agresszív, addig a (hidrogénnél negatívabb) fémekre a szabad CO 2 teljes mennyisége agresszív lehet.

CO2 + H 2O ⇔ H + + HCO3− Fe + + + 2 HCO3− = Fe( HCO3 ) 2 ⇔ Fe(OH ) 2 + 2CO2 Oldott oxigén jelenlétében (gyakorlatilag tehát mindig), a vas korróziója folytatódik: 2 Fe(OH ) 2 + O + H 2O = 2 Fe(OH ) 3 2 Fe(OH ) 3 = Fe2 O3 + 3H 2 O......(az Fe 2 O 3 a rozsda) Az egyensúlyi (vagy ahhoz közelálló állapotú) vizekben a vasfelületen (mész-vas) védőréteg alakul ki és ez meggátolja a további korróziót. (A vasfelületek korróziós helyein az OH- földúsul, a szabad CO2 egy részével reagál, a tartozékos CO2 tehát valamelyest csökken, ezért CaCO3 fog kiválni. A keletkező rozsda ezzel a kalciumkarbonáttal a csőfalra tömören és szilárdan tapad. A kőképződés és a korrózió együttes elkerülésének tehát az a feltétele, hogy a víz éppen a tartozékos (egyensúlyi) CO2-t tartalmazza. Ez a CO2 tartalom, az „m” lúgosság és a Ca keménység egy meghatározott pH értéket definiál, pH=pHs ami jellemző egy adott víz stabilitási viszonyaira. Ez igen praktikus, mert a pH lényegesen könnyebben (ill. közvetlenül) mérhető, mint a CO2, és a pHS valamivel egyszerűbben számítható (ld. a 7.2. pontot), mint az egyensúlyi széndioxid. A korróziós ártalmak veszélyei (funkcionális és/vagy szerkezeti tönkremenetel veszélyei) rögtön beláthatóak. De (hatásában is) hasonlóan súlyos károkat okoz a kőkiválás mind a kazán, mind pedig a hűtővízrendszerekben. Melegítés, gőzfejlesztés, párologtatás hatására a víz sókoncentrációja túllépheti az oldhatóság határát. Az oldhatóság túllépését különösen elősegítheti, hogy melegítés hatására olyan reakciók játszódnak le, amelyek nyomán egyes jól oldódó sókból

10

IPARIVÍZ

kevésbé oldódók keletkeznek. Ilyenek pl. az említett hidrogénkarbonátok. (Ezt használjuk ki a termikus vízlágyításnál.) Az oldott magnézium karbonátból nem oldódó magnéziumhidroxid lesz: MgCO3 + 2 H 2O ⇔ Mg (OH ) 2 + [H 2CO3 = H 2O + CO2 ] Az oldott kovasavból oldhatatlan szilikátok képződnek stb. Az így keletkező oldhatatlan csapadékok – karbonátok, szilikátok, hidroxidok – a vízből kiválva (más lebegőanyagokkal együtt) kőképződéshez vezetnek. A kőkiválás rontja a kazánok, hűtési folyamatok elemeinek gazdaságosságát, csökkenti az üzem biztonságát. A kivált üledék (egyebek mellett éppen hőhatásra) egyre jobban cementálódik, egyre inkább szilárd, kőbevonatot képez, amelynek hővezetési tényezője az eredetileg oda beépített szerkezeti anyagénál nagyságrendekkel kisebb, tehát a hőáramlás irányában a hőteljesítmény csökkenésére, a hőmérséklet, ill. a hőfoklépcsők növekedéséhez vezet; hatásukra az energiaköltségek nőnek. A hőátadás, hűtés hatásfokának leromlása mellett e folyamatokban hidraulikai kapacitáscsökkenést (keresztmetszet szűkülést) is okoznak, újabb teljesítményromlással, ill. költségnövekedéssel. A kőkiválás mechanikai tönkremenetelt is okozhat. A víz okozta üzemzavarokat, költségtöbbleteket, a folyamatban részt vevő víz minőségének szabályozásával lehet és kell elkerülni. Erre szolgálnak a vízkezelő eljárások. 1.2.

Az ipari víz és használtvíz mennyisége és minősége

1.2.1. A víz műszaki jellemzése Az ipari üzemekben felhasználandó, vagy felhasznált vizet négyféle alapparaméterrel, ill. paramétercsoporttal lehet tökéletesen jellemezni: - mennyiség (m3; m3/h) - minőség (g/m3; mol/m3; pH; ºC, Bq/m3 stb.) - nyomás (bar; Pa; mvo.) - hely x, y, z koordináta (m). A vízmennyiség és – minőség fogalmával és mérési módszereivel a következő pontokban foglalkozunk. A víz nyomása: A nyomás SI-egysége, mint származtatott egység a Pa (pascal), ami alapegységekkel Pa =

N Newton kg = = 2 m négyzetméter m ⋅ s 2

kifejezve: A folyadékok és gázok nyomásának mértékegységeként még alkalmazható (nem SIegység) a bar. A statikus nyomást vagy más elnevezéssel, a szintkülönbséget m-el mérik, amit mvízoszlopnyomásnak neveznek (mvo). A forgalomban lévő nyomásmérők kellő pontosságú és megbízhatóságú műszerek. A nyomások regisztrálására megfelelő jelátalakítóval ellátott elektromos regisztráló műszereket alkalmaznak. A nyomás régi mértékegységeinek átszámítása:

11

IPARIVÍZ

1 bar 1 mvo 1 at 1 Torr 1 atm.

= 1 kp/cm2 = 1 mm Hg. = 760 Torr

=100.000 Pa =9.806,6 Pa =98.066,5 Pa =133,322 Pa =101.325,0 Pa

=1,00 x 105 Pa ≅9,81 x 103 Pa ≅9,81 x 104 Pa ≅1,33 x 102 Pa ≅1,01 x 105 Pa

A víz geodéziai helye: A felhasználandó víz lényeges jellemzője a víz helye (x, y, z koordináta). Ezek az adatok ugyanis a vízszállítás alapparaméterei. 1.2.2. A víz térfogatárama A víznek, de különösen az ipari termelési folyamatokban alkalmazott víz alapparamétereinek kellő pontosságú ismerete nélkül nem beszélhetünk sem üzembiztonságról, sem gazdaságosság, sem pedig üzemi vízgazdálkodásról. Az ipari üzemek egy részében ennek ellenére, alig található megfelelően üzemeltetett vagy egyáltalán beépített vízhozammérő (kivéve a közművállalatok ipari üzemi vízmérőit), vagy nyomásmérő. Az ipari üzemek különböző gravitációs csatornáin és nyomóvezetékein időegység alatt átáramló vízmennyiség (vízhozam) mérésére számos technikai lehetőség ismert. Hagyományos vízhozammérés szabad felszínű csatornákban: A gravitációs csatornák vízszállításának (vízhozamának) klasszikus meghatározása két alapvető hidraulikai összefüggés segítségével végezhető el. Az egyik a kontinuitás (folytonosság) egyenlete, amely azt fejezi ki, hogy permanens mozgás esetén két közelálló szelvényen átfolyó vízhozam azonos: Q = v1 F1 = v2 F2 A másik pedig az általában turbulens mozgású, permanens áramlású folyadék energiaegyenlete, amely azt fejezi ki, hogy két szelvény között mozgó folyadék helyzeti- és mozgási energia-tartalma a különböző ellenállások legyőzésére fordított energiatartalommal csökken: v2 v2 h1 + 1 = h2 + 2 + hv 2g 2g A különböző mérő műtárgyak vízszállítását meghatározó összes képlet a két alapegyenletből származtatható, a műtárgyak hidraulikai működésének megfelelően. A szabad vízfelszínű csatornákban a hagyományos mérőberendezések közül – figyelembe véve az ipari követelményeket – úgyszólván csak a Parshall-csatornás, ill. a Venturi-elven működő vízmérők jöhetnek számításba.

A Parshall-csatorna nyitott felszínű csatornákba építhető – mérőszűkületben kritikus sebességgel, tehát szabad átfolyással áramló víz hozama a felvízi vízállással arányos: Q = M ⋅ b ⋅ hA3 / 2 ahol: Q – a vízhozam (m3/s)

IPARIVÍZ

12

M – átfolyási tényező (függ a mérőszűkület alakjától, az érkező víz sebességétől, a mérő magasságtól stb.), b – a mérőszűkület jellemző mérete (m) hA – a mérőmagasság (m). Ha az alvízszint magasabb, azaz visszahat a torokba és ott a kritikus sebesség és mélység nem tud kialakulni (alulról befolyásolt), bizonyos javító tényezők figyelembevétele szükséges. A Parshall-csatorna szabványosított mérőműtárgy (MSZ10 207-75. Vízhozammérés), amelyben az alkalmazásának számos feltétele rögzített és különböző tényezők táblázatokból nyerhetők. A Parshall-csatornák esésvesztesége 3-60 cm között változik. Külföldön üvegszállal erősített poliészter mérőcsatorna-idomokat gyártanak, amelyek kiküszöbölik a helyszíni gyártás igen gyakori méretpontatlanságait, ami igen nagymértékben rontja a mérési pontosságot. Az elérhető mérési pontosság, az alvízszint visszahatásától függően ± 2-5 %. Szabad vízfelszínű csatornákban alkalmazzák a zárt szelvényű Venturi-cső vízhozammérőket, ahol két mérési pont nyomáskülönbségét mérik, és ebből számolnak középsebességet. A Venturi-cső vesztesége jóval nagyobb a Parshall-csatornáénál, kezelése nehézkesebb. Mindkét vízmérő csak kismértékben szennyezett vizek esetén alkalmazható üzembiztosan (Starosolszky, 1971). Indukciós vízhozammérők szabad felszínű csatornában: Az ipari vizek túlnyomó része jelentős lebegőanyag- (diszperz, szálas stb.) szennyezést tartalmaz. Így üzembiztos kellő pontosságú vízhozammérés csak a korszerű mérési elveken működő mérőberendezésekkel képzelhető el (Starosolszky, 1980). Az indukciós elven működő vízhozammérőknél a Faraday-féle törvényt alkalmazzák, amely szerint a mágnese térben mozgó vezetőben elektromos feszültség indukálódik, amely arányos az időegység alatt metszett mágneses erővonalak számával. Mágneses térben áramló folyadék esetében, ha a víz vezetőképessége egy határérték felett van (5-10 μS/cm) a keletkező elektromos feszültség (U) fémelektródok U = H ⋅ k ⋅ vk ⋅ l segítségével mérhető. ahol: U – az indukált feszültség (V) H – a mágneses térerősség (A/m) l – az elektródok közötti távolság (m) vk – a folyadék középsebessége az elektródok síkjában (m/s), k – műszerállandó A középsebesség meghatározása esetén a vízhozam (Q) a csatorna áramlási keresztmetszetének ismeretében számítható. Q = F ⋅ vk Indukciós vízhozammérőket tetszés szerinti méretű csatornákra vagy vezetékekre be lehet építeni. A mért vízhozam leolvasható, távjelezhető.

IPARIVÍZ

13

A mérőberendezés előnye: széles mérési tartomány, nem okoz esésveszteséget, érzéketlen a pulzációra, a víz hőmérsékletére, valamint a víz szennyezőanyagtartalmára, továbbá független az áramlás lamináris vagy turbulens voltától. Hátránya: csak 5-10 μS/cm feletti vezetőképességű vizek esetén alkalmazható. Ultrahangos vízhozammérő szabad felszínű csatornákban: Mérési elve az ultrahang terjedési sebesség változásán alapszik, az áramló folyadékközegben. A többféle ultrahangos vízhozammérés közül a frekvenciakülönbség mérésén alapuló mérőberendezések terjedtek el.

4. ábra: Ultrahangos vízhozammérés elve nyílt csatornában A mérési elv a következő (4. ábra): A mérni kívánt csatorna két oldalán az áramlási irányhoz képest 30°-60°-os szögben elhelyezett rezgésátalakítók felváltva sugároznak ultrahang-impulzusokat. Az 1. jelű rezgésátalakító egység által kisugárzott impulzus áthalad a folyadékon és a 2. egységen keresztül egy elektronikus központi egységbe továbbítják a frekvenciajelet. Ezután a 2. egység sugároz ultrahang impulzust, amit az 1. egység fog és továbbít a központi egységbe. Az 1. egység által kisugárzott és a 2. egység által felfogott frekvencia (ún. sing-around frekvencia):

14

IPARIVÍZ

c + vk cos Φ L + t ' (c + vk cos Φ ) A 2. egység által, tehát az áramlással szemben kisugárzott és az 1. egység által felfogott frekvencia c − vk cos Φ f2 = L + t ' (c − vk cos Φ ) A két sing-around frekvencia különbsége Δf = f1 − f 2 amely az előző összefüggések alapján jó közelítéssel 2v cos Φ Δf = k L A Δf éréke az általánosan előforduló áramlási sebességek mellett igen kicsi (1,0 Hz) ezért a mérési pontosság elérése végett a gyakorlatban frekvenciaszorzót alkalmaznak (M). Tehát a rezgések síkjában mért átlag vízsebesség: L Δf ' vk = ⋅ 2 cos Φ M ebből Q = Kv ⋅ F Jelölések: f – a sing-around frekvencia, c – az ultrahang terjedési sebessége a folyadékban vk – az áramlási átlagsebesség a mért síkban Φ – az áramlási iránnyal bezárt mérősík szöge, L – a rezgésátalakító egységek távolsága, t’ – az elektromos és elektronikai berendezések késleltetési ideje, Δf’ – a felszorzott sing-around frekvencia különbsége M – a frekvenciaszorzó F – az áramlás keresztmetszeti területe Kv – az áramlási keresztmetszet és a mért keresztmetszet átlagsebességének hányadosa. f1 =

Az áramlási keresztmetszetméréssel, a Kv értéke az áramlási viszonyok és a mérési sík helyének függvényében táblázatból határozható meg. A jelentős vízszintingadozás esetén a mérés pontossága érdekében több vízszintes síkban is végeznek mérést. A mérés pontosságának feltételei: - a mérés helyén a csatorna legyen egyenes vonalú, egyenes profilú, - a mérés síkjában a sebességeloszlás legyen azonos (szimmetrikus), és az áramvonalak a csatorna tengelyével párhuzamosak, - a vízben megengedett lebegő szennyeződés max. 1000 mg/l és nem lehet benne uszadék, növény és jelentős légbuborék stb., - széles és sekély vizű csatornákban nem alkalmazható.

IPARIVÍZ

15

A mérés pontossága ± 1-5 %-os. Mérési tartománya széles, esésveszteséget nem okoz, a mérőjel további felhasználásra átalakítás nélkül alkalmas. Felszerelése és üzembe helyezése nagy szakértelmet igényel. Célszerűbb a nyomócsövekre alkalmas ultrahangos vízhozammérőket beépíteni az ipari csatornákba is, ha biztosítani lehet a nyomás alatti telt szelvényt. Ebben az esetben a mérőberendezés egyszerűbb és olcsóbb, valamint a mérés is megbízhatóbb.

5. ábra: Szűkítőelemes vízhozammérők nyomásvesztesége zárt csővezetékben 1. mérőtorok Venturi cső, 2. Venturi cső f=15°, 3. mérőtorok, 4. mérőperem, 5. szegmens mérőperem, 6. hengeres oldalszűkítésű mérőcső

Zárt, telt szelvényű csatornákban és nyomóvezetékekben a vízhozammérés: A telt szelvényű csövekben alkalmazható hagyományos – Bernoulli-elv alapján sebességet mérő vízhozammérő berendezésekkel az utóbbi idő gyakorlatában (Venturi– cső, mérőperem, egyéb mérőszűkület) rossz tapasztalatokat szereztek: mérési pontosságuk nem kielégítő, ill. változó, már a közepesen szennyezett vizek esetében is igen jelentős karbantartást és javítást igényelnek, e nélkül ugyanis meghamisítják a mérési eredményt, számottevő nyomás- (esés) veszteséget okoznak (5. ábra) a mérőjel további alkalmazásához jelátalakító szükséges. A felsorolt alkalmazási nehézségek miatt tehát kielégítő pontosságú és megbízhatóságú mérést a hagyományos mérőberendezésekkel csak tiszta vizek esetében lehet végezni.

IPARIVÍZ

16

Mivel létesítési és üzemeltetési költségeik meglehetősen nagyok, a kis turbinás mérőórák kivételével alkalmazásuk nem javasolt. Indukciós vízhozammérők zárt, nyomás alatti csőben: Az indukciós vízhozammérés elvét a nyitott csatornák vízhozam mérésénél tárgyaltuk. Az átfolyó vízhozam: U ⋅ d ⋅π Q= 4k ⋅ H A mérőberendezés szokásos elrendezése 6. ábra szerint. A szigetelő védőbevonattal ellátott mérőcsövet körülveszi a mágneses teret gerjesztő tekercs. A cső falában merőlegesen helyezkednek el a mérőelektródák, amelyek az indukált feszültséget elvezetik.

6. ábra: Indukciós vízhozammérés csővezetékben Az indukciós mérők nemzetközi választéka nagy. Átmérőben 2-2000 mm, mérési tartományban 0–11 m/s közötti. Az indukciós mérők előnyei: rövid (kb. 3D) egyenes csőszakasz beépítése szükséges a mérő előtt, kis beépítési hossz (=2D) a mérőjel (elektr. feszültség) lineáris összefüggésű az áramlási közép sebességgel, a nagy mérési pontosság (± 0,5-1 % a 10-100 % mérési tartományban), energiafelvétele kicsi (20-200 W) nincs nyomás- (esés-) vesztesége, a víz szennyezéseire érzéketlen, a csővezetékben nincs semmilyen belógó vagy mozgó alkatrész, szabályozásra, ill. vezérlésre alkalmas analóg elektromos jelet ad ki (0-20; 4-20 mA). Gyakran alkalmaznak a vízszállító csővezeték átmérőjénél kisebb NA méretű vízhozammérőt, megfelelő (4°-10° félkúpszögű) konfúzor és diffúzor csatlakozásával.

17

IPARIVÍZ

Ultrahangos vízhozammérés nyomás alatti zárt csővezetékben: A zárt, telt szelvényű csővezetékek vízhozam mérésére kifejlesztett ultrahangos mérőberendezések, a nyitott csatornák vízhozammérése kapcsán ismertetett mérési elv szerint működnek (7. ábra).

7. ábra: Ultrahangos vízhozammérés csővezetékben A csővezeték telt szelvénye miatt a mérési feladat és így a mérőberendezés is lényegesen egyszerűbb és olcsóbb. Tehát a rezgésátalakító egységek által mért singaround frekvenciakülönbség: Δf = f1 − f 2

a vízhozamot leíró összefüggés: Q = Kv

d c Δf ' + gΦ ( ) 2 8 fo M

ahol: Q – vízhozam d – csőátmérő c – az ultrahang terjedési sebessége a folyadékban fo – az állóvízben mért sing-around frekvencia Φ – az áramlás irányával bezárt szög Δf’ – a felszorzott sing-around frekvencia különbsége M – a frekvenciaszorzó Kv – korrekciós tényező (a tényleges középsebesség és a mérőfejek síkjában mért középsebesség hányadosa). A Kv tényező a Reynold-szám függvénye, ezért biztosítani kell a csőben a zavarmentes /tengelyszimmetrikus/ áramlást /a mérő előtt 10-20D, utána 5 D egyenes csőszakasz/.

IPARIVÍZ

18

Az ultrahangos mérőberendezés összehasonlítása az indukciós mérővel: -

-

a mérési pontossága és megbízhatósága azonos, a beépítési egyenes csőszakasz hosszabb az indukciós berendezésnél igényeltnél, az ultrahangos berendezés rezgésátalakító egységei – nagyobb átmérők (NA4002000) esetén – a meglévő csőre is felszerelhetők, és függetlenek a cső anyagától, szemben az indukciós berendezéssel, ahol a csőbe beépítendő a mérő csőidom, a mérési hiba az ultrahangos berendezésnél igen nagy lehet, ha a víz sok légbuborékot tartalmaz, az indukciósnál viszont ez csak kis mérési hibát okoz, nem alkalmazható, ha a víz lebegőanyag-tartalma túllépi az 1000 mg/l értéket, az indukciós mérő a lebegőanyagra érzéketlen, indukciós mérő nem alkalmazható, ha a víz vezető képessége 5-10 μS/cm érték alatt van (sótalan vizek), az ultrahangos mérésnek viszont nincs ilyen igénye,

1.2.3. Az ipari víz és használtvíz minősége Az ipari vízhasználók által beszerzett (felhasznált) kibocsátott és kezeléssel előállított víz minőségének megbízható meghatározása, a vízzel kapcsolatos összes tevékenységnek, tehát az üzembiztos vízellátásnak és a használtvizek elhelyezésének alapvető követelménye. Nem beszélhetünk céltudatos üzemi vízgazdálkodásról sem a víz mennyiségének, sem a minőségének kellő pontosságú ismerete nélkül. De nem képzelhető nélkülük a vízkészlet-gazdálkodás, a vízminőség-szabályozás, és a vízgazdálkodási célú kutatás és fejlesztés hatékony végrehajtása sem. Vizsgáljuk meg tehát a vízminőség meghatározásának fázisait, azok végrehajtásának módját és megbízhatóságukat befolyásoló tényezőket. A vízminőség meghatározásának fázisai: mintavétel (tervezés, szervezés, végrehajtás) mintakezelés (tartósítás, preparálás), mérés (analitika), értékelés (ellenőrzés, feldolgozás, következtetések). A mintavétel helyének, idejének, gyakoriságának és módjának kiválasztása, a vízminőség-vizsgálat eredményének megbízhatóságát, jellemzőségét és hibahatárait alapvetően befolyásolja. Azért, hogy a kivételre kerülő minta, jellemző legyen, igen alaposan átgondolt – nagyobb rendszerek esetén gondosan megtervezett – mintavételi programot kell kidolgozni. A mintavételi terv kidolgozásának alapja a vízminőség mérés céljának (a víz kezelése, szállítása, tározása, újrahasználata, a szennyvíz befogadó terhelése, a vízhasználó gyártástechnológiák igénye stb.) pontos ismerete. Ennek ismeretében határozható meg a mértékadó vízminőségi adatok beszerzésének módja, eszközei és egyéb feltételei. A vízminőség-meghatározás célja sokféle lehet: a víz- és szennyvízkezelés technológiájának meghatározása, -

IPARIVÍZ

19

a különböző üzemállapotokhoz tartozó vízminőség változások meghatározása, a különböző minőségű vizek egymásra hatásának vizsgálata stb. A mérés, ill. a mintavétel megszervezése előtt szükséges vizsgálni a mérendő víz származását, várható szennyező anyagait, a szennyezések várható eloszlását (pl. az ipari használt vizek esetében a vízhasználó gyártástechnológia nyersanyagait, segédanyagait, valamint félkész és késztermékeit, mint vízszennyezéseket, tovább a szennyezésekre vonatkozó üzemállapotokat), tehát a szennyvíz jellegét. A felszíni vizek minőségének változásai, természetesen véletlenszerűek (sztochatikus), – mivel a leglényegesebb minőséget befolyásoló tényező a vízhozam, ami véletlenszerű. Az ipari használt (szennyezett) vizek szennyező anyagait befolyásoló tényezők: a termék mennyisége és fajtája, ipari nyersanyagok, ipari segédanyagok, félkész-, és késztermékek anyaga, a gyártástechnológiában részt vevő egyéb szennyező anyagok, a gyártástechnológia és vízhasználó berendezései, üzemállapot, technológiai fegyelem stb. A felsorolt befolyásoló tényezők között pedig több olyan is szerepel, ami állandóan változik (nyersanyag, segédanyag minősége, üzemállapot, technológiai fegyelem stb.) és a változás egyértelműen sztochasztikus. Ennek természetes következménye, hogy a változások hatása is a szennyvízmennyiség és a vízszennyezések változása sztochasztikus. Az említett meghatározást alátámasztja az a tény is, hogy mind a természetes vizek, mind az ipari használt vizek adott szennyezőanyag-koncentrációjára vonatkozó pontmintákból számított átlag, vagy az összeöntött átlagminták vizsgálati eredményeinek rendezett sorozatából készített gyakorisági görbék (tartóssági görbék) igen szorosan illeszkedők a valószínűség számítás gyakorlatából ismert sűrűségfüggvényekhez (eloszlásfüggvényekhez), tehát azokkal közelíthetők. 2. ÜZEMI VÍZELLÁTÓ ÉS HASZNÁLTVÍZ ELVEZETŐ HÁLÓZATOK 2.1. Üzemi vízellátó hálózatok

A vízellátás az ipari üzemekben, általában a technológia része, így annak biztonsága az üzembiztonság egyik lényeges eleme. A megnövelt üzembiztonságnak megfelelően többféle nyomóvezeték (ágvezetékes, körvezetékes és ikervezetékes) hálózat különböztethető meg.

IPARIVÍZ

20

Az ágvezeték hálózat (8. ábra) az üzem fő fogyasztóinak súlyvonalában haladó fővezetékből áll, amiről leágaznak a fogyasztókhoz a tápvezetékek. A fővezeték törésekor, a vízellátás, a töréstől, ill. az azon innen lévő szakaszoló tolózártól megszűnik, mind addig, míg a törést ki nem javítják. Ez a hálózattípus nyújtja a legkisebb üzembiztonságot, tehát csak azokban az üzemekben alkalmazható, ahol a vízhálózati hiba miatt fellépő vízellátás-kiesés nem okoz jelentős kárt; ahol általában a szociális létesítmények a fő vízfogyasztók.

8. ábra: Ágvezeték hálózat Körvezeték hálózat (9. ábra) az üzem fő fogyasztói körül egy vagy több csatlakozó körben kiépített fővezeték hurokból áll, és így – megfelelő szakaszolhatóság mellett – az egyes fogyasztók felé általában legalább két irányból, vízbetáplálást tesz lehetővé. Ez a hálózattípus jelentős üzembiztonságot nyújt, de a kiépítés költségei gyakran többszöröse az ágvezetékes hálózaténak. Létesítése akkor indokolt, ha a kár és haszon vizsgálat, a kiépítést indokolja.

IPARIVÍZ

21

9. ábra: Körvezeték hálózat Ikervezetékes hálózat (10. ábra) két egymással párhuzamosan, vagy külön nyomvonalon kiépített ágvezeték hálózat, amelyek közül bármelyik képes az ellátást önállóan biztosítani. Az ikervezetékes elrendezés tehát a körvezetékes hálózat üzembiztonsági előnyeit párosítja az egy nyomvonalba fektetés (ágvezetékes) előnyeivel. Az ipari üzemek nagy biztonságot igénylő vízellátása esetén, a távolabbi víztermelő hely és az üzem közötti vízszállító iker főnyomó vezeték (expressz vezeték) esetében is alkalmazható az ikervezetékes megoldás. A magasabb beruházási költségeket ez esetben üzemeltetési költségmegtakarítás is ellensúlyozza. Tekintve, hogy a vízszállítás (energia-) költségei az áramlás sebességének négyzetével arányosak, normál üzemmód esetén a (tartalék) kétszeres csőkeresztmetszeten keresztül adott vízmennyiség mintegy negyedannyi költséggel vezethető.

10. ábra: Ikervezeték hálózat

A csővezetékek elhelyezése és vonalvezetése

IPARIVÍZ

22

A csövek anyaguktól függően, vezethetők magasvezetéssel, amihez igénybe vehetők az épületek és csarnokok külső, vagy belső falai, beton és acélszerkezetű oszlopok (darupályák, közlekedési- és csőhidak, szállítópályák).Vezethetők a nyomócsövek csőfolyosókban, csőcsatornákban, vagy csőalagutakban és természetesen földben. Az üzemeken belül a csővezetékek összefogását és hozzáférhető helyen történő vezetését üzembiztonsági okok követelik meg. A térszint alatti vagy fölötti vezetést gazdasági és műszaki szempontok döntik el.. Magasvezetéssel: indokolt, ha a térszint alatt a kívánt helyen nem áll rendelkezésre olyan sáv, amely lehetővé tenné a mélyvezetést. A magasan vezetett nyomócsövek fagy elleni védelmét hőszigeteléssel kell biztosítani. Magasan vezetett csövek esetén, fagypont alatti hőmérsékleten, ha a csőben az áramlás tartósan megszűnik, a szigetelésre és az átmérőre tekintet nélkül a csővezetéket a szétfagyás ellen le kell üríteni. Csőfolyosóban: alkalmazása célszerű szabadban vezetés esetén, kisebb átmérőjű vezetékek építése során, mivel a vékony vezetékek elfagyása – a hazai éghajlati adottságok mellett – a víz áramlása és a külső hőszigetelés ellenére is bekövetkezhet. A magasan vezetett csőfolyosóban viszont a fagyveszély ellen védelmet nyújthat, ha a nyomóvezetékkel együtt ugyanott egy állandó üzemű gőz vagy kondenzvíz, vagy visszafolyó hűtővíz vezeték kerül elhelyezésre. Padlócsatornákban, vagy csőalagútban: célszerű telepíteni a közös nyomvonalon haladó, nagy üzembiztonsági követelményeket kielégítő, általában nagy átmérőjű vezetékeket. Az alagút víztelenítését – lehetőleg gravitációsan – a legnagyobb lehetséges csőtörés figyelembe vételével kell megoldani. Amennyiben ez nem oldható meg, úgy éppen az üzembiztonsági követelmények miatt, az alagútban a szerelvényeket úgy kell elhelyezni, hogy azok a térszintről is kezelhetők legyenek. A csőalagutakba a vízvezeték(ek)en kívül elektromos, távközlési kábelek, gőz-, gáz-, és egyéb vezetékek, valamint csatornák is vezethetők, azaz közműalagútként építhetők és üzemeltethetők. A könnyen kezelhető műanyag vízvezeték csövek alkalmazása az úgynevezett nehéz üzemekben (kohászat, nehéz gépipar, erőművek, nehéz vegyipar stb.) nem célszerű. Ezekben az üzemekben a leggyakrabban alkalmazott cső az acélcső. 2.2. Üzemi használtvíz elvezető hálózatok

Az ipari üzemekben a víz, és a használtvíz szállítását biztosító vezeték és csatornahálózatok feladata, üzemi körülményei, és ezért építési üzemviteli, karbantartási és javítási követelményei számos esetben eltérnek a kommunális csatornahálózatoktól. A települési közcsatorna szabályzatok előírnak számos olyan szennyezőanyagot, amit rendeltetésszerű használat esetén tilos a csatornahálózatba vezetni (szemcse, szálas, fém, iszap, rothadó anyag, olaj, zsír, oldószer, radioaktív anyag 35°C-nál magasabb hőfokú stb. szennyezések). Az iparban viszont túlnyomóan éppen ezekkel a szennyezőanyagokkal terhelt vizek elvezetése a feladat. Az ipari üzemekben a különböző mennyiségű és minőségű használt-(szenny)vizek és újrafelhasználásra kerülő vizek szállítására többféle csatornát, ill. csatornarendszert létesítenek. Annak eldöntése, hogy a csatornázás milyen rendszere (hányféle gyűjtő) jelenti az üzemben a legkedvezőbb megoldást, csak esetenként és egyedenként, minden műszaki és gazdasági körülmény ismeretében lehet eldönteni.

IPARIVÍZ

23

Meg kell határozni mindenekelőtt az üzem szállítandó vizeinek mennyiségét, minőségét, ezen adatok időbeli elosztását, a gyártás-technológiák vonatkozó igényeit, majd ezek ismeretében a szállítások kezdő és végpontjait, a csatornák anyagát, valamint a lehetséges nyomvonalát. Mérlegelni kell egyfelől, hogy a különféle szennyező anyagokat tartalmazó használtvizek közül, melyek az együtt kezelhetők és melyiket hol, milyen újrafelhasználónál kívánják elhelyezni (milyen minőségűre kell tisztítani), tehát mely használt vizeket célszerű egy csatornarendszerbe gyűjteni. Külön figyelmet és kezelést igényelnek a mérgező, robbanásveszélyes, erős korróziót okozó anyagokat tartalmazó vizek, melyek nem keverhetők a többi használt vízzel, csak az egyedi kezelése után. Másfelől viszont azt, hogy a különböző üzemi csatornahálózatok egységesítése gyakran műszakilag lehet előnyös (egymást semlegesítő szennyvizek pl. az erőművekben, vagy kedvező mennyiségek az uszadékot elsodró levonulási sebességek miatt stb.). Több kisszelvényű, nehezen tisztítható és karbantartható csatornahálózat helyett egy nagyszelvényű, bújható vagy járható csatorna (gyűjtő, főgyűjtő) létesítése mind az építési és üzemletetési költségek miatt, mind az üzembiztonság szempontjából kedvezőbb megoldást jelent. Üzemen belüli tisztítást igénylő üzemi szennyvizek összegyűjtésénél azonban alapelv, hogy csak az együtt tisztítható szennyvizeket célszerű közös csatornában gyűjteni. Az üzemi csatornák vonalvezetése: Az üzemi csatornahálózatok vízszintes és magassági vonalvezetését az üzem területének topográfiai és beépítettségi viszonyai, a térszíni és térszín alatti létesítmények helyzete, illetve a csatorna kezdő és végpontjának helye és szintje, valamint az üzem technológiai, üzembiztonsági, gazdaságossági és fejlesztési célkitűzései együttesen szabják meg. Az ipari üzemekben a csatornák anyagát (korrózióálló csatorna), szilárdságát (vasalt és betonba ágyazott csatornák, vízzárását (vízzáró vakolattal ellátott monolit, acél, műanyag vagy öntöttvas csatornák) stb. gyakran különleges követelmények szerint kell kialakítani, ami azonban az egyszerű csatornák fajlagos költségeinek a többszörösét is kitehetik, tehát alkalmazásuk megfontolandó. A dinamikusan terhelt területek alatt a csatornákat a terhelés mértékétől függően 1,5-2,0 m földtakarással kell építeni. Ennek hiányában a csatornákat a dinamikus hatásoktól védeni kell (betonágyazat, betonburkolat, vasbeton vagy acélcsatorna). A beágyazás módjával a csatorna teherbírása jelentősen megnövelhető (11. ábra). Tehát, hogy az üzemen belül milyen teherbírású csatornát alkalmazunk, az a csatorna vonalvezetésétől függ. Az üzem szempontjából nagy fontosságú csatornákat lehetőleg ne helyezzünk nagyforgalmú utak és vasutak, továbbá épületek és hézagmentes jármű útburkolat alá, nagy terhelésű vasutak és épületek mentén, azok közvetlen közelébe (teherátadási sávba), töltésoldalba, laza süllyedő tőzeges, salakfeltöltéses, agresszív talajba stb. Az üzemegységek belső területén (épületben, csarnokokban, tárolótéren stb.) a csatornákat általában fedett padlócsatornaként célszerű kialakítani, ügyelve arra, hogy a csatorna fölé (fedlapokra) építmény, berendezés, tározott anyag rendeltetésszerűen ne kerüljön. Ha ez a követelmény nem elégíthető ki, a főcsatornákat zárt, bújható vagy járható szelvényűre kell kialakítani. Az üzem területén, ahol már nincs üzemi épület, ott is célszerű, az előző üzemépületek falsíkjának irányát tartani a későbbi esetleges üzemfejlesztésekre gondolva. Ugyancsak

IPARIVÍZ

24

ilyen megfontolások alapján kívánatos a derékszögű iránytörések és az egyenes vonalak alkalmazása, hacsak az eltérést valamilyen fontos műszaki (hidraulikai) vagy gazdasági érdek (jelentős hosszcsökkenés) nem igényli. Csatornaszelvények kiválasztása:

11. ábra: Beágyazott körszelvényű csatornák teherbírása (Wetzorke alapján)

12. ábra. Beágyazott tojásszelvényű csatornák teherbírása (Harquart alapján) További létesíthető csatornaszelvények: A legmegfelelőbb üzemi csatornaszelvény kiválasztását az üzemi viszonyok kellő ismeretében (a nyomvonal beépítettsége, a terep lejtési viszonyai, a víz

IPARIVÍZ

25

szennyezettsége), valamint a csatornával szemben támasztott műszaki követelmények (vízszállítás, üzembiztonság) és a gazdaságosság mérlegelésével kell végezni, ami gyakran nagyobb körültekintést igényel, mint a kommunális célú csatornarendszerek célszerű és gazdaságos kialakítása. Szabályként mondható, hogy a nagy lebegőanyagtartalmú ipari szennyvizeket, melyek a csatornák eliszapolódását, eldugulását előidézhetik, a könnyen tisztítható, nyitott szelvényű, felszedhető fedlapos „U” alakú csatornában (13/a. ábra), vagy a vízhozamtól függően, nagy szelvényű bújható, illetve járható (13/b.-c. ábra) csatornákban kell szállítani. Csak a viszonylag tiszta vizek vezethetők kisszelvényű, zárt, kör alakú (13/d. ábra) csatornában.

13. ábra: Monolit-beton csatornaszelvények 1. Azokat a csatornákat, amelyeket széles határok között ingadozó vízhozamok levezetésére használnak, a lerakódások elkerülése céljából alul elszűkített szelvénnyel, pl. tojásszelvénnyel (13/c. ábra) kell építeni. Nagy és ingadozó vízhozamok esetén (pl. csapadékvízzel egyesített csatornarendszereknél) műszakilag egészséges megoldás üzemen belül a „félpárisi” (14/a. ábra), vagy a „párisi” szelvény (14/b.-c. ábra), kialakítása. Ebben az esetben ugyanis a nagyobb hordaléktartalmú és kisebb hozamú ipari vizek, szennyvizek, retúrvizek az ún. künett-ben, a padka alatt kerülnek elvezetésre.

14. ábra: Monolit-beton csatornaszelvények 2.

IPARIVÍZ

26

A nagy szelvényű, padkás csatorna mindig kényelmes tisztítási, javítási és megfigyelési lehetőséget biztosít, kivéve a nagy vízhozamok levezetése idején, amikor a szelvény felső része is üzemel. A nagy csatornaszelvény födémére, vagy oldalfalára ipari víznyomóvezetékek vagy egyéb ipari vezetékek és kábelek is szerelhetők (14. ábra). A nagyszelvényű csatorna tehát ezáltal közműalagúttá is alakítható, ahol minden csatorna és nyomóvezeték könnyen hozzáférhető, kezelhető és javítható. A gravitációs csatornák esetén számos esetben szükséges, vagy előnyös a szennyvizet átemelni. Gravitációsan vezetett szennyvizek átemelési igénye jelentkezik a csatornahálózaton, ha a csatorna a térszint alatt túlságosan nagy mélységbe kerül (dúcolás, víztelenítés!), ha a szennyvizet valamilyen magasabban elhelyezett vízkezelő műtárgyra szükséges átvezetni, vagy ha a befogadó vízszintje állandóan vagy időszakosan magasabb a csatlakozó csatorna vízszintjénél. Ezen felül: egy-egy mélyen kibocsátott szennyvíz átemelése gazdaságosabb, mint – e miatt – az egész csatornarendszer mélyszintű vezetése. Szennyezett vizek átemelési feladata, megbízható üzemvitel mellett is igen nagy körültekintést igényel. Ugyanis a szívótér elrakodási veszélye jelentős. Ezen kívül a víz szennyezettsége, nagymértékben befolyásolja a szivattyútelep üzembiztonságát. A szennyezett vizet átemelő telepeken ezért mindig dugulásmentes ráfolyásos szivattyúkat alkalmaznak, hogy a vízzel érkező összes darabos, szemcsés, szálas stb. szennyezést képes legyen átemelni, továbbítani. Ezért még automatikus átemelő telepek esetén is fokozott ellenőrzésre van szükség. Kis emelőmagasságok esetén (5-6 m) széles körben elterjedt a csigaszivattyú. 3. IPARI SAJÁTOS VÍZKEZELÉSI ELJÁRÁSOK 3.1. Az ipar vízbeszerzése és vízhasználata Az ipari üzemek vízgazdálkodása keretében a víz (szennyezett használt vizek) kezelése súlyponti helyet foglal el. Ugyanis egyre ritkábban fordul elő, hogy az üzem által beszerezhető víz, kezelés nélkül kielégít minden vízhasználó hely által megszabott minőségi kritériumot. A természeti környezetből beszerzett vizek közül pl. a felszíni vizek minősége kezelés nélkül a legtöbb ipari célra ma már nem alkalmas, ennek elsősorban az ipari vízszennyezések az okai. A beszerezhető felszín alatti vizek minősége természetesen lényegesen jobb az előbbinél, de többféle ipari célra nem felelnek meg (pl. kazántápvíz, zárt rendszerek vízpótlása, technológiai finom vizek, egyéb különleges igényekkel rendelkező ipari vízhasználatok stb.). A jobb minőségű felszín alatti vizekkel kapcsolatban jelentős probléma, hogy az ilyen jellegű vízkészlet mennyisége csak töredék része az egész rendelkezésre álló készletnek, és ebből is elsősorban a települések ivóvízellátását szükséges kielégíteni. Így az ipar számára elsősorban a felszíni vízkészletek és a térszín közeli talajvizek állnak rendelkezésre. Természetesen ezen is osztozni kell a mezőgazdasággal és egyéb fogyasztókkal. Emiatt – különösen az ipari régiókban – a felszíni vízkészletek is csak korlátozott mértékben állnak rendelkezésére. Nem véletlen, hogy az iparilag fejlett országokban (USA, Japán, NSZK, Anglia) vagy vízben igen szegény régiókban (Közel-Kelet, Dél-Afrika, Szahara stb.) az ipar elsősorban használt vízből táplálkozhat. A vízkészletek hiánya és annak elszennyezése miatt több esetben kötelezik az ipart, hogy a vízrendszereit teljes mértékben zárja és csak a veszteségek pótlására szerezhet be vizet, de az a víz is csak akkor vehető ki a környezeti vízkészletből, ha valamely egyéb fogyasztó használt vize (pl. település tisztított szennyvize) nem áll rendelkezésre. Az említett nehézségek

IPARIVÍZ

27

kezdeti tünetei a hazai iparvidékeinken is már jelentkeznek. A vízkezelés feladatai között ezért már ma egyre jelentősebb szerepet kap az ipar használt vizeinek újrahasználatát biztosító vízkezelési technológiák megvalósítása. Az ipar vízminőségi igényének biztosítása: Az ipari víz elnevezés nem minőségi kategória. Az ipar által használt víz lehet közvetlen a természetes vízkészletből, közműtől, saját vagy más vízhasználótól szerzett használt víz. A vízbeszerzés helye és módja is ma már ritkán jelent minőségi kategóriát. Lehet ugyanis a folyóból szerzett friss víz szennyezettebb, mint egy saját vagy más vízhasználó használt vize. Mivel a felszíni vizek egyben használtvíz- (szennyvíz-) befogadók is, az onnan nyert, ún. friss víz legnagyobb része szintén használt víz, gyakran többszörösen is. Tehát felfogható úgy is, hogy a felszíni frissvíz-használat közvetett vízújrahasználat. A szennyezett víz fogalma az iparban mindig az adott vízhasználat számára káros szennyezések mértékét jelenti. Ugyanis a különböző ipari technológiák számára a megfelelő minőségű víz, a tiszta H2O-tól a zagyig tart. A szükséges vízkezelési technológiát vagy műveletet tehát nem a beszerzés helye vagy módja, hanem a vízben lévő és az adott vízhasználó hely számára éppen káros szennyező anyag fajtája és mértéke határozza meg. Így a víz- és a szennyvízkezelés műveletei és berendezései egyre gyakrabban azonosak, és ezáltal a víz- és a szennyvízkezelés, mint különálló fogalmak, egyre inkább megszűnnek, ill. összefolynak. Az iparban tehát nem lehet beszélni külön vízkezelésről és külön szennyvízkezelésről. Az ipari vízkezelési technológiát kizárólag az határozza meg, hogy a rendelkezésre álló víz minősége milyen mértékben közelíti az adott ipari technológia által igényelt vízminőségi paramétereket. A rendelkezésre álló víz pedig lehet akár ivóvíz, akár felszíni-, vagy felszínalatti víz, akár az ipar vagy a település által használt víz, a vízkezeléssel bármilyen minőségű vízből, bármilyen ipari vízhasználat céljára alkalmas vízminőség előállítható. A két vízminőség közötti különbség kiegyenlítése a vízkezelési technológia feladata. Természetesen ide sorolhatók azok a kezelési technológiák is, amelyek a különböző használt vizekből, az élővíz- vagy közcsatorna-befogadóba bocsátható vízminőség előállítását biztosítják, amit hagyományosan szennyvízkezelésnek nevezünk. A vízkezelési technológia jelen fejlettségi színvonala az említett feladatok bármelyikének végrehajtására alkalmas, bár nem egy bonyolult kezelési feladat ma még súlyos, egyes esetekben irreálisan magas műszaki és gazdasági ráfordítást igényel. A vízkezelés-technológiákkal kapcsolatos kutatás-fejlesztés fő feladata ezért jelenleg éppen az, hogy a technológiákat és berendezéseit korszerűsítse és a költségeket jelentősen csökkentse, és ezeknek a kezeléseknek a költségeit a vízkezelési technológiák reális tartományába helyezze.

IPARIVÍZ

28

Felszíni vizek kezelése: A felszíni vizek lebegő és oldott szennyezéseinek mennyisége és fajtája, számos természetes adottságtól és mesterséges beavatkozástól függ: a folyók vízjárásától (a vízhozamok változásai), a folyót, ill. tavakat tápláló vizek származásától (gleccserek vize, karsztvizek, kismértékben oldódó kőzetek környezetének vizei, csapadékvizek). a vízgyűjtő terület talajminőségétől és lejtésviszonyaitól, valamint a művelési ágak arányaitól, a folyó lejtésviszonyaitól (áramlási sebességétől), a folyó, ill. tó vízgyűjtőjében lévő vízhasználók, ill. szennyezést bebocsátók tevékenységétől, a folyó felsőbb szakaszain érvényben lévő, a szennyező forrásokat kötelező szabályozásoktól és gazdasági ösztönzőktől (szomszéd országok) stb. Az ipar által igényelt vízminőségek függenek az előzőekben ismertetett vízhasználati céloktól, és ezen belül a vízhasználati üzemmódoktól, a vízhasználó berendezések kialakításától, a kialakított vízhasználati rendszer típusától (pótvíz minőségi igény), az üzemi vízhasználati rendszer zárásának mértékétől, a vízkezelés költségeitől, ill. az optimum kialakításának lehetőségeitől stb. Az említett adottságok és igények figyelembevételével megállapítható, hogy felszíni vízből az ipar számára előállítandó víz, kezeléstechnológiáinak mind az induló, mind a vég paraméterei igen széles határok között változnak, még akkor is, ha azonos vízhasználati cél számára történik a vízkezelés. Lényegesen megnő a minőségi igényskála, ha a vízhasználati módot is figyelembe véve, a pótvíz minőségi igényeivel is számolunk. A vízkezelési technológiák műveleti sorának összeállításakor a következő négyféle alapszennyezőanyag-típusra kell figyelemmel lenni: lebegő anyagok, vegyszeresen kicsapatható oldott szennyezések, egyéb, ionos oldott anyagok, nem ionos és szerves szennyezések. Felszín alatti vizek: A felszín alatti vizek és az ivóvízközműből szerzett víz lebegőanyag-tartalma általában 2-10 mg/l érték között található. A mészkőkarsztokból származó, valamint a nagy vastartalmú vizekben, CO2-kilépés esetén, gyakran csapadék képződik és akkor ezt a felső határt is túllépi. Oldott ásványi szennyezésekben általában gazdagabbak, mint a felszíni vizek. Jelentősebb szervesanyag-tartalma csak a térszín közeli talajvíznek és a felső karsztvíznek van – a térszín szennyezettségétől függően.

IPARIVÍZ

29

Hőszennyezett vizek: A víz hőmérséklete, így hőtartalma (entalpiája) ugyanúgy vízminőségi paraméter, mint bármely más, az előzőekben tárgyal anyagok vízszennyezési értékei. Az ipari vízhasználók vízminőségi kritériumai között jelentős helyet foglal el a víz hőmérséklete, és jelentős szerepe van a hűtővíz-használatoknak, mivel az ipar által használ víz 80-85 %-a hűtési célú. A hűtővizek az ipari termeléstechnológiákból hatalmas hőmennyiséget szállítanak el. Az elszállított hőmennyiségnek jelenleg kb. 40 %-a a befogadókba távozik, a nagyobb részét pedig visszahűtik, a víz újrahasználata céljából. A vízzel elvonandó hőmennyiség legnagyobb része a hőerőművekben jelentkezik, ami azzal magyarázható, hogy egy 37,1 % hatásfokú hagyományos erőművekben a kazánokkal termelt hőenergiának a felét, a kondenzátorokból vízzel szükséges elvonni és a környezetbe bocsátani (15. ábra). Az ipar hűtővizeinek visszahűtési igénye egyre fokozódik. Ennek oka a rendelkezésre álló természetes vizek mennyiségének rohamos csökkenése és minőségének jelentős romlása, továbbá az élővizek hőterhelési lehetőségeinek csökkenése. Emiatt növekszik a hűtővizek visszaforgatási és ezzel együtt a visszahűtési aránya, valamint a frissvízhűtések esetén felvetődik a befogadóba bocsátás előtti, ún. utóhűtés igénye. A vízvisszahűtés megfelelő technológiájának kiválasztását befolyásoló tényezők: a víz hőterhelése a hűtővízzel szemben támasztott hőmérsékleti igény, a víz egyéb szennyezéseinek mértéke, a rendelkezésre álló pótvíz mennyisége és minősége, számos egyéb természeti-földrajzi tényező (a hűtőlevegő fizikai, kémiai paraméterei stb.), a különböző hűtési módok költségei stb. A víz visszahűtési technológiája az előbbiek alapján a hűtővíz újrahasználatát biztosító kezeléstechnológia. Éppen ezért ha a víz a gyártástechnológiában csak hővel szennyeződik, legtöbbször csupán visszahűtésről kell gondoskodni. Kivételt képez, ha a víz a vízszállító vagy –kezelő rendszer valamely pontján szennyeződik, akár lebegő, akár beoldott szennyező anyagokkal (pl. a nyitott hűtőtoronyban a légszennyezés, vagy tározóban az infiltráló szennyezett talajvíz stb.). Ugyancsak gyakori lehetőség, hogy a hűtővíz, üzemzavar esetén a gyártás-technológiából elszennyeződik. Mindkét utóbbi esetben gondoskodni kell olyan tartalék vízkezelés beállításáról, amely a vízellátás zavarmentes üzemét vagy csak kismértékű zavarását biztosítja.

IPARIVÍZ

30

15. ábra. Egy hagyományos hőerőmű energiamérlegének egyszerűsített diagramja Abban az esetben, ha a hűtővíz a termelési folyamatban ezen kívül még egyéb célt is szolgál (pl. mosóvíz, úsztatóvíz stb.), a víz üzemszerűen tartalmaz (felvesz minden használatkor) egyéb szennyezéseket is. Természetesen az újrahasználatnak és legtöbb esetben a visszahűtésnek is előfeltétele a szennyező anyagok szükséges mértékű eltávolítása. Ezután következhet a víz visszahűtése. A visszahűtés műveleti elemei azonosak lehetnek a tiszta hűtővíz visszahűtésekor alkalmazott megoldásokkal, kivételt képez a zárt hűtőkör alkalmazása, mivel azok csaknem közel sómentes vízzel üzemelnek.

31

IPARIVÍZ

A vízkezelés mértékének meghatározása: A kezeléstechnológiában minél több műveleti lépcsőt alkalmazunk, a kezelés költsége annál nagyobb lesz, azaz minél inkább közelítünk a szennyezőanyag koncentrációval a nullához, annál magasabb a kezelés fajlagos költsége. Ez a költségnövekedés exponenciális (16. ábra). Nagyon fontos ezért, hogy a vízhasználó által igényelt vízminőséget kellően megalapozott vizsgálat döntse el, és az ezt biztosító kezeléstechnológiát, kellő körültekintéssel határozzák meg.

16. ábra: A szennyvíztisztítás fajlagos költsége A használt vizek kezelése esetén még nagyobb a jelentősége a kezelés mértékének, a költségekre. A 17. ábrán feltüntetett példában, az ugyanazon gyártás-technológiában alkalmazott átfolyó vagy recirkulációs vízhasználat esetén, 100m3/h vízbe jutó olajszennyezés 15 kg/h (150g/m3). Átfolyó vízhasználat szennyvizének tisztítása esetén, ha a befogadóba bocsátható koncentráció 10g/m3, a tisztító telep által, nem kis költséggel kinyert szennyezőanyag 14kg/h. A befogadóba – az előírásnak megfelelve – 1 kg/h szennyezés kerül. Amennyiben recirkulációs víz használatot alkalmaz az üzem, . közismert, hogy egy gyártástechnológia a saját szennyezőanyagaiból általában nagyobb koncentrációt visel el, mint egy élővíz befogadó. De a víz csak akkor forgatható vissza, ha minden egyes körülforduláskor vízbe került szennyezőanyagot teljes egészében kinyerik. Ebben az esetben tehát a nyereség kettős. A példánk esetében pl. 25g/m3 olaj

IPARIVÍZ

32

tartalommal még visszaforgatható a használt víz, ami azt jelenti, hogy a szennyvíz kezelés költsége kb. 30 %-a az átfolyó vízhasználat esetén alkalmazhatónak. Ugyanakkor a tisztító berendezés 25g/m3 szintre tisztítva az összes 15kg/h bejutó olajszennyet kinyeri, és semmit nem bocsát az élővízbe, legföljebb csak üzemzavar esetén.

17. ábra: A különböző vízhasználati módok környezet-szennyezése 3.2. Membrán technika a vízkezelésben

Speciális féligáteresztő membránokkal a víz szennyezőanyagai, a mikroszemcséktől az atom méretekig, fázis és halmazállapot változtatás nélkül visszatarthatók, kvázi kiszűrhetők. A fordított ozmózisos elven működő membránszeparáció eredménye függ (permeát minőség, mennyiség), a membrán anyagától, a modulok kialakításától, valamint a kezelendő folyadék szennyező anyagaitól, az alkalmazott nyomásától és egyéb üzemi paramétertől. Egyre nagyobb teret hódít az ultraszűrő néven, világszerte szélesebb körben alkalmazott membránszűrő, ahol a hajtóerő a szűrletvíz oldali vákuum. A membránszűrők porozitásának közelítő értékei: - mikro szűrés (0,1 μm – 3,0 μm (opt. mikroszkópikus méretű szemcsék, és baktérium

IPARIVÍZ

33

kiszűrése), - ultraszűrés (0,007 μm – 0,2 μm (makromolekulák és baktériumok kiszűrése), - nanoszűrés (0,0008 μm – 0,009 μm (mikromolekulák, vírusok kiszűrése), - fordított ozmózis (0,0002 μm – 0,003 μm ( ionok és hidratált ionok, atommag kiszűrése). A membrántechnika körébe sorolhatók még: - az elektrodialízis (0,0004 μ – 0,01 μ méretű ionok kiszűrésére), - és az ultracentrifugálás (0,003 μ – 0,1 μ méretű molekulák kiszűrésére). A membránszűrés szennyezőanyag elválasztásának hajtó ereje a víz nyomás, vagy szívás és a hőmérséklete, valamint a szennyezőanyagok kémiai és elektromos potenciálja. A felsorolt eljárások mindegyike, az ipari vízkezelésben–különböző nyomások és membrán fajták alkalmazásával elterjedt. 3.2.1. Az ozmózis és a fordított ozmózis (RO) Az ozmózisnyomás (π) van’t Hoff alapegyenlete szerint, híg oldatok esetén: C π = RT [bar ] M R = az egyetemes gázállandó 1 bar nyomáson, T = az abszolút hőmérséklet, C = az oldott anyag koncentrációja, M = az oldott anyag átlag moltömege. Az oldatokra is, mind a Boyle-Mariotte, mind a Gay-Lussac féle gáztörvény érvényes.

18. ábra: Fordított ozmózis

IPARIVÍZ

34

Ez az ozmózisnyomás úgy lép fel (18/a. ábra), hogy az oldószer (a víz) mindaddig áramlik a féligáteresztő membránon keresztül az oldatba, míg a kémiai potenciál értékek (μ) ki nem egyenlítődnek a membrán két oldalán. μ = μ 0 + RT ln a ahol a = az oldószer aktivitás, μ0 = az oldószer kémiai potenciája. Híg oldat esetén ln a ≈ az oldott anyag moltörtjével: C/M.

Pl. egy 35 g/l-es NaCl oldat (tengervíz) ozmózis nyomása +25°C hőmérsékleten π 25o = 8,34 x3,5 = 29,2bar Ugyanennek az oldatnak az ozmózis nyomása +5°C-nál: π 5o = π 25o (0,916 + 0,003 x5) = 27,2bar Édesvizek esetében, pl. 0,6 g/l oldott anyag esetében az ozmózisnyomás 25°C-on 5,0 bar; 15°C-on 4,8 bar. A fordított ozmózis alkalmazása esetén, a vízkezelésben tulajdonképpen egy oldat bizonyos mértékű víztelenítését végezzük. Mégpedig az oldat ozmózis nyomásánál nagyobb üzemi nyomással (18/b. ábra.) A membrán sóvisszatartó képessége: cp ) 100 R % = (1 – co cp = a permeát sókoncentrációja, co = a nyersvíz sókoncentrációja. A membránon az oldószer (a víz) áthatolás mértéke függ: - az alkalmazott nyomástól. A membránon a só áthatolás mértéke függ: - a membrán felületén lévő sókoncentrációtól, de nem függ a nyomástól. A víz- és a sóáthatolás egymástól független. A sóvisszatartás a nyomás növelésével nő. A vízátbocsátás és a membrán vastagság mértéke fordítva arányos. A membránok Szerkezete és modul típusa: – Izotróp membránok: a porozitása minden irányban azonos. – Anizotróp membránok: két, vagy többrétegű membrán. – Kompozit membránok: egy porózus membránon, egy polimer film anyag van. – Dinamikus membránok: a membrán anyag felületén, egy fluidban kezelt filmanyag van. Formája: -- síkmembrán,

IPARIVÍZ

35

-- rostmembrán (üreges szál), -- csőmembrán. – spirálmembrán Élettartama: 2 – 5 év ami függ: -- a nyersvíz minőségétől, -- a kezelendő víz hőmérsékletétől, -- a berendezésben alkalmazott nyomástól, -- a membrán anyagától, -- a modulok kialakításától (típusától). A sóvisszatartás ( R % ) függ: – a szennyező részecske méretétől: - rádiuszának nagyságától, ill. hidrátburka méretétől, - az elektromos töltésétől. – az oldószer és a szennyező ion kölcsönhatásától ( H– hídkötés ), – az ion vegyértékétől ( a többértékű iont jobban visszatartja ), – a szerves molekula moltömegének mértékétől. Membránt károsító hatások: A membránok anyagától és szerkezetétől függően, az alábbi anyagok különböző mértékben károsítják a membránt. – A fokozott sóbedúsulás, membrán eltömődést okoz ( gyakoribb mosás). – A membrán határrétegében a sókoncentráció jelentős megnövekedésekor a feldúsult Ca(HCO3 )2 –ot oldatban tartó CO2 a membránon átdiffundál, ezért a membrán elkövesedik. – A CaSO4, BaSO4, SrSO4 esetén a sóbedúsulás, ha eléri a vegyület oldhatóságihatárát, csapadék rakódik a membránra. – Az oxidáló szerek oxidálják a membránt is (szabad klór koncentráció, a membrán anyagától függően, csak 0,1 – 0,5 mg/l lehet. – A baktériumok, gombák, algák a membránt eltömik, - anyagától függően - esetleg kikezdik. – Egyéb nagy moltömegű szerves szennyezőanyagok a membránt szintén eltömik. –Ugyancsak eltömik a membránt a kolloidok (Kolloid index: SDI = 3 – 5 ). Koncentráció polarizáció (az oldott szennyezőanyag bedúsulása a membrán határrétegében - sótorlódás): – a permeát hozamnövelés a sóbedúsulást növeli a membránon, – a sóbedúsulás miatt megnő az ozmózisnyomás, ezért növelni kell az üzemi nyomást. A sóbedúsulás csökkentése: – a Konverzió (K) csökkentésével: K =

Qp Qny

100 [%]

Qp = permeát térfogatárama, Qny= nyersvíz térfogatárama, a magas konverzió értéknél megnő a sóátbocsátás is.

IPARIVÍZ

36

A sóbedúsulás optimalizálása: – a határréteg vastagságának csökkentésével, – az üzemi nyomás csökkentésével, – a hőmérséklet növelésével, – a kicsapódó anyagok előzetes kinyerésével, – a modulok megfelelő kapcsolásával (pl. soros kapcsolás), A permeát minősége függ: – a nyersvíz sókoncentrációjától, – az alkalmazott membrán fajtától, – a működtetett koncentráció polarizáció mértékétől, – az alkalmazott üzemi nyomástól, – az alkalmazott vízhőmérséklettől. A hazai 500 – 1500 mg/dm3-es sótartalmú vizek esetében, a sókoncentráció csökkentés –membrán fajtától függően– lehet 99 %-os is (10 – 15 mg/dm3). Ebben az esetben már az alkalmazandó nyomás: p > 3π ( 15 – 20 bar ). A nagy nyomás a membránt általában jelentősen tömöríti és emiatt a permeát hozam csökken. Az alkalmazandó vízhőmérséklet: – optimum 20 – 30 oC, – 20 oC alatt hőfokonként 2 % -ot csökken a teljesítmény, – 30 oC felett a membrán élettartama egyre inkább csökken. A membrán technológiával kezelendő víz előkezelése: – Finom szemcse, kolloid, emulzió kinyerés (derítés, kondicionált szűrés). – Oldott szerves szennyezések eltávolítása (klórozás, ózonos besugározás, aktívszén szűrés). – Fémhidroxidok és oxidhidrátok kinyerése (vas és mangántalanítás). – A sókoncentrálódás és a CO2 diffúziója miatt bekövetkező lúgosodás megszüntetése ( pH beállítás 5 – 6,5 –re ). – Magas koncentráció polarizáció esetén a CaSO4, BaSO4, SrSO4, CaF2, Ca(HCO3)2 oldott sókat a nyersvízből jelentős mértékben el kell távolítani, mert a nagymértékű sóbedúsulás során elérik, ill. túllépik az oldhatósági határukat és a membránra kicsapódnak (lágyítás, részleges sótalanítás). A másik megoldás a bedúsulás csökkentése. – A mikrobiológiai szervezetek eltávolítása, elpusztítása (hypó és egyéb biocidok, biostátok adagolása, UV besugárzás stb.). – Az oxidáló szerek minimalizálása a kezelendő vízben (deklórozás-SO2). – Közvetlen a membránok előtt, a lebegő szennyezések biztonságos eltávolítása érdekében, gyertya szűrőket célszerű alkalmazni (porózus polipropilén henger gyertya, szálszűrő gyertya, finom koracél szál tekercs gyertyaszűrő). A membránokat minősítő paraméterek: – Szelektivitás: az a meghatározott szennyezőanyag szemcsék moltömege, amiket még a membrán 90 % -ban visszatart.

IPARIVÍZ

37

– Vízpermeábilitás: az a vízmennyiség, amit a membrán, ionmentes, adott hőmérsékletű, nyomású és sebességű szűrendő vízből, egységnyi felületű membránon, egységnyi idő alatt átereszt [ l /m2.h]. A membrán-technológia rendszerei (19. ábra): A membrántechnológia ideális célkitűzése, hogy a berendezést minél nagyobb fajlagos teljesítménnyel, minél kedvezőbb permeát minőséggel, minél kisebb nyomással, minél nagyobb konverzió százalékkal működtesse. Ezek közül minden paramétert ideális szinten tartani egyszerre lehetetlen. Ugyanis az egyik paraméter javításával a másik romlik. Tehát műszaki, gazdasági optimum keresés itt is a technológus feladata (19/a. ábra). A technológus feladata továbbá, hogy az egyes modulok rendszerbe kapcsolását úgy oldja meg, hogy az egész rendszer működése az előírt műszaki követelményeket kielégítse, a lehető legkisebb gazdasági ráfordítás mellett. A felsorolt követelményeket alapvetően befolyásoló, egyik tényező – ami a kedvező eredmények ellenében hat – a membrán felületén fellépő helyi sóbedúsulás (koncentráció polarizáció). A sóbedúsulás csökkentése a membránon: A határréteg vastagság csökkentésével, ami növeli a koncentrát mennyiségét. Ez a hátrány jelentősen csökkenthető a koncentrát sorba kapcsolásával (19/b. ábra). Ugyanez az eredmény elérhető a koncentrát visszaforgatásával (a kihajtó kaszkád 19/c. ábra,vagy a sűrítő kaszkád kapcsolása 19/d. ábra).

IPARIVÍZ

38

19. ábra: RO modulok rendszerbe kapcsolása

A fordított ozmózisos membrántechnológia minden fajtája széles körben elterjedt, mind az ipari finom vizek előkészítésében, mind az ipari gyártástechnológiákban, mind pedig az egészségügyi szolgáltatás területén. Megfelelő előkezelés után a membrán kezelés-technológia automatikus üzemmódban a beszabályozott vízmennyiséget és –minőséget folyamatosan és biztonságosan termeli. A folyamatos üzemmenet (minél kevesebb, berendezés kezelése miatti állás), maximális műszaki és megfelelő gazdasági eredményt biztosít. 3.2.2. A vákuumos membránszűrés (ultraszűrés kategória) Ez a membrán szűrési technológia nem az ozmóziselv alapján működik. A szűrés hajtóereje, a permeát oldali vákuum, aminek mértéke a membrán anyagától és szerkezetétől függ elsősorban. A membrán modul térbe (szennyvíz reaktorba) intenzív légbefúvás történik, a membránok felületének lemosását elősegítő turbulencia

IPARIVÍZ

39

létrehozása érdekében, ami viszont a szennyezőanyagok körében, bizonyos oxidációt is megvalósít. A vákuumos membránszűrési technológia világszerte elterjedt, különösen a kommunális (házi) szennyvíztisztításban,mint kiegészítő eljárás. Ezért mind műszaki, mind gazdasági előnyei miatt, egyre gyakrabban alkalmazzák, az utóülepítő helyett. Ilyen vákuumos membrángyártás már itthon is folyik (ZeeWeed membrán - Zenon Systems Kft – Tatabánya), amivel már –hosszú fejlesztés után- nem egy biológiai szennyvíztisztítónál kiváló eredményt értek el. Az előállítandó vákuum (0,05 – 0,5 bar) energia igénye kisebb a hagyományos eleveniszapos szennyvíztisztítási technológiákénál. Nem szólva a bioreaktoroknál így alkalmazható technológiai előnyökről és kedvezőbb üzemi viszonyokról. Már bevált módszer az USA-ban a kommunális szennyvíztisztításon kívül, a gépiparban, a kohászatban és az autóiparban, az olajos szennyvizek, bioreaktorral összekapcsolt vákuumos membrán tisztítása, ahol a tisztított vizet újrahasználatra igénybe veszik (ilyen hazai technológia a ZenoGem eljárás). Szintén alkalmazták már külföldön a cellulóz és papíripari, valamint az élelmiszeripari szennyvizek eredményes kezelésében, ahol a tisztított szennyvíz minden esetben valamilyen célra újra hasznosítható, azaz vele frissvíz használat kiváltható. Ez a membránszűrés technológia alkalmas a nyers víz lebegő szennyezéseinek eltávolítására és az RO membrán szűrés előtti előkezelésre is. 3.2.3. Elektrodialízis Az elektrodialízis cellákat határoló falak, az anód elektróda felé csak anionokat áteresztő, a katód elektróda felé csak kationokat áteresztő membránokból állnak. A sótalanító cellába betáplált nyersvízből a kationok a katód felé, az anionok az anód felé – az elektrosztatikus vonzás hatására – eltávoznak és a sótalan víz a cella túlsóvégén elvezethető. A sótalanított cellák melletti cellákból , a besűrített koncentrátot kezelésre elvezetik.

20. ábra. Elektrodialízis elvi sémája Az elektródákba 25 – 60 V- os egyenáram. A művelet energia igénye: 1,5 – 4,5 kWh/m3 víz. A féligáteresztő membránok érzékenyek: a finom lebegőanyagokra, kolloidokra, a vas ionokra, a víz karbonát keménységére, az erős savakra és az oxidálószerekre, ezért a felsorolt szennyezők eltávolítása, előkezeléssel szükséges.

40

IPARIVÍZ

3.3. A szűrőgyertyák - a/ Filcelt műszálszűrő gyertya, - b/ Fonalas műszálszűrő gyertya, - c/ Porozus műanyag lap-, tárcsa-, és hengerszűrő gyertya, - d/ Porozus kerámiaszűrő gyertya (kovaföld ráiszapolással), - e/ Finom rozsdamentes acélszáltekercs szűrő. A gyertyaszűrők szakaszos üzeműek: - a/ és b/ szűrők egyszer használhatók, - c/, d/ és e/ szűrők visszamoshatók. 3.4. A víz lágyítása kicsapással

A vízkezelési gyakorlatban az oldott szennyezőanyagok legegyszerűbb eltávolítási módja az oldatból való kicsapása és ülepíthető formába alakítása (koaguláció), amennyiben erre a kémiai, fizikai feltételek lehetőséget adnak. A kicsapás után a szilárd szennyezőanyagok legtöbbször kolloid- vagy finomdiszperzió formában jelennek meg a vízben, aminek a kiülepítése vagy kiszűrése kellő hatékonysággal csak koagulált (pelyhesített) formában lehetséges. 3.4.1.Meszes lágyítás

A lassú reaktorral végzett lágyítási eljárásban a kalcium- és magnézium hidrogénkarbonátot oldott formában tartalmazó vízhez ún. mészhidrátot ill. kalcium hidroxidot adagolnak ami a víz keménységét okozó (Ca2+, Mg2+) sókkal vízben csak kismértékben oldódó csapadékot alkot (20. ábra): Ca ( HCO3 ) 2 + Ca (OH ) 2 ⇔ 2CaCO3 ↓ +2 H 2 O Mg ( HCO3 ) 2 + 2Ca (OH ) 2 ⇔ 2CaCO3 ↓ + Mg (OH ) 2 ↓ +2 H 2 O MgSO4 + Ca (OH ) 2 ⇔ Mg (OH ) 2 ↓ +CaSO4 MgCl2 + Ca (OH ) 2 ⇔ Mg (OH ) 2 ↓ +CaCl2 CO2 + Ca (OH ) 2 = CaCO3 ↓ + H 2O Tehát az adagolt mésszel a szabad szénsav is eltávolítható. A szikes vizekben a Na(HCO3)-ból az adagolt mész hatására, a mészaránytól függően nátronlúg v. szóda keletkezik, CaCO3 csapadék képződés mellett: 2 NaHCO3 + Ca (OH ) 2 ⇔ CaCO3 + Na2CO3 + 2 H 2O NaHCO3 + Ca (OH ) 2 ⇔ CaCO3 ↓ + NaOH + H 2 O

IPARIVÍZ

41

21. ábra: Meszes lágyítás lassú reaktorral A meszes lágyítás (ún. lassú reaktorok) mCaO elméleti mészigénye a Hundeshagen képlet alapján számítható:

[

mCaO = 28( K k + K Mg + K CO2 ) gCaO m 3

]

ahol Kk = a nyersvíz karbonát keménysége [mekv/dm3] KMg = a nyersvíz magnézium keménysége [mekv/dm3] K CO 2 = a nyersvíz széndioxid tartalma [mekv/dm3]

1 nkº = 10 mg/dm3 CaO 1 mekv/dm3 = 28 mg/dm3 CaO 1 mekv/dm3 = 2,8 nkº

A gyakorlatban azonban ez a mészigény legtöbbször nem reális, esetenként ennél több, máskor kevesebb mészre van szükség. Éppen ezért a technológia tényleges mészigényét, minden esetben próbalágyítással kell meghatározni! A szükséges meszet régebben kizárólag, ma már egyre kevesebb helyen (néhány kis kapacitású lágyítóban) telített mészvíz alakjában adagolják. A mai gyakorlatban 3-7 súly%-os mésztejet használnak a lágyításhoz, amit mészhidrát porból /Ca(OH)2/ állítanak elő. (A mészhidrát por CaO tartalma 67,5 %) A Mg(HCO3)2 és a Ca(OH)2 reakciója során keletkező CaCO3 a reaktorok szokásos üzemi hőmérsékleten kristályos csapadékként válik ki, ami igen finom szemcsékből álló diszperzió. Mg ( HCO3 ) 2 + Ca (OH ) 2 ⇔ CaCO3 ↓ + MgCO3 + 2 H 2O A Mg(OH)2 csapadék a reakció második fázisában keletkezik, és amorf, kolloid jellegű csapadékként válik ki. A reaktorban keletkező kétféle csapadékot ülepítik. Az igen finom CaCO3 diszperzió kiülepítése is csak jelentős tartózkodási idő, azaz igen kicsi vízáramlási sebesség mellett lehetséges. A Mg(OH)2 kolloid részecskék pedig csak a koagulációjuk biztosítása esetén MgCO3 + Ca (OH ) 2 ⇔ CaCO3 ↓ + Mg (OH ) 2 ↓

IPARIVÍZ

42

ülepszenek. A koagulációt általában kedvezően befolyásolja a fölös mészhidroxid adagolás. Kedvezőtlen koaguláció és ülepedési viszonyok (alacsony reaktor hőmérséklet, megnövekedett felületi terhelés) esetén azonban fölös mész adagolás nem bizonyul elégségesnek a lebegőanyag-mentes lágyított víz előállítására. Legtöbbször szükséges hatásosabb koaguláló vegyszer (pl. vasszulfát ill. szerves polielektrolit, vagy mindkettő) adagolása. A fölös mész adagolás természetesen nem elsősorban a hatásosabb koaguláció, hanem az előzőekben ismertetett reakciók minél teljesebb lefolyása érdekében történik. Emiatt a mészfelesleget (2p-m) 0,1-0,5 mekv/dm3 értékek között tartják a gyakorlatban. A lassú reaktorok üzemvitelének ellenőrzését (mészfeleslegét) azon az elven végzik, hogy a reaktor kezelt vizében vagy csak karbonát- és hidroxid ionok, vagy karbonát- és hidrogénkarbonát ionok lehetnek egyszerre jelen. Ennek meghatározása a p és m lúgosság alapján történik, amit a kavicsszűrő után elfolyó vízből mérnek. A p és m lúgosság értékeinek alapján tehát a következők állapíthatók meg: (1. táblázat) A p és m lúgosság összefüggései A mért lúgosság értékei A vizsgált víz tartalmaz hidroxid karbonát mekv/l p=m m 0 2p=m 0 2p p=0; m>0 0 0 2p>m 2p-m 2(m-p) 2p<m 0 2p

1. táblázat hidrogén-karbonát 0 0 m 0 m-2p

A p és m értékek szorozva az egyenértéktömegükkel (moltömeg/vegyérték), mg/l-ben kapjuk a hidroxidok, karbonátok és hidrogénkarbonátok mennyiségét. A nagyobb mészfelesleg már a karbonátmentesített víz maradék keménységét jelentősen megnöveli. Amennyiben az a mészfölösleg a Mg(OH)2 és egyéb kolloidok szükséges koagulációját nem képes biztosítani (a nyersvíz alacsony hőmérséklete, magas karbonát keménysége, magas Mg(HCO3)2 aránya) szükséges a hatékonyabb koagulánsok adagolása. Egyébként az itt felsorolt koagulációt akadályozó, ill. késleltető tényezők az előlágyított víz maradék keménységét mind növelik. A lassú meszes lágyítás során a nyersvízben lévő szerves és szervetlen sók jelentős része is kolloid pelyhekkel együtt eltávolítható (adszorpció,) valamint a víz kovasav tartalma is csökken (magnézium-szilikát csapadék). A reakció lefolyása és a csapadék kiülepedése 10-20ºC víz hőmérsékleten 2-4 h alatt történik. A reaktorban a vízemelkedés sebessége 2-4,5 m/h. A csapadék diszperzió (CaCO3) és kolloidok [Mg(OH)2 és a nyersvíz lebegő szennyezései] gyorsabb ülepedése érdekében a kiülepedett iszap egy részét visszakeringetik a reakciótérbe. A gyors reaktorral folyó meszes lágyításban csak a Ca(HCO3)2 reakciója zajlik le teljesen, és ad csapadékot (CaCO3). Ugyanis a Mg(HCO3)2-ból, hogy Mg(OH)2 csapadék legyen, fajlagosan kétszer annyi meszet kell adagolni. Amennyiben csak

IPARIVÍZ

43

egyszeres mészadagolás történik, az egyébként is lassúbb reakció nem jut el Mg(OH)2 csapadékképződésig. Ca ( HCO3 ) 2 + Ca (OH ) 2 ⇔ 2CaCO3 ↓ +2 H 2O Mg ( HCO3 ) 2 + Ca (OH ) 2 ⇔ CaCO3 ↓ + MgCO3 + 2 H 2O A nyersvíz karbonát keménységének alacsony Mg(HCO3)2 aránya esetén (Mg:Ca < 1:2) igaz a gyakorlatban ez a reakció egyenlet. Ebben az esetben a CaCO3 csapadék a lágyítandó vízhez kevert kvarcliszt szemcsékre (Ø 0,2-0,5 mm), mint kristály magokra kristályosodik rá. A szemcséket a – lassú reaktorénál lényegesen nagyobb emelkedési sebességű (15-20 m/h) – víz addig tartja lebegésben, amíg a szemcsék Ø 1,8-2,2 mm méretűek lesznek, amikor is a reaktor fenekén kiülepszenek. A kiülepedett szemcsehalmazt 1-3 naponként el kell távolítani. A víz tartózkodási ideje 5-15 min. A mészigény: mCaO = 28( K k + K CO2 ) g / m 3

[

]

Magasabb Mg(HCO3)2 arány esetén az adagolt mész mennyisége jelentős. A reaktor egyes mezőiben (inhomogén CaO eloszlás) a Mg(OH)2 csapadék is megjelenik és a kalcit kristály gócokra tapadva a CaCO3 kristályosodását lefékezi. Ugyanakkor a nagy vízsebesség nem csak a Mg(OH)2 kolloidokat hordja ki, hanem a CaCO3 mikrokristályokat is kisodorja. Tehát a lágyított víz erősen zavarosan távozik a reaktorból. A reaktor utáni kavics-, de még a homokszűrő sem képes a koagulálatlan Mg(OH)2 kolloidokat kiszűrni. Ilyen esetben kísérleti úton szükséges meghatározni, hogy milyen mértékű szervetlenvagy szervetlen- és szerves-koaguláló, ill. pelyhesítő vegyszeradagolással lehet a kezelt vizet tisztára szűrni. Célszerű kísérletezni kationos polielektrolitokkal is. A gyors reaktorban lezajló lágyítási folyamat különböző műveleteinek (a CaO igény szerinti adagolása, a vegyszer homogén elkeverése, az adagolandó kvarcliszt mennyiség szabályozása, az esetlegesen kicsapódott Mg(OH)2 kolloidok koagulációja és pelyhesítése, a víz áramlásai sebességének, terhelésének szabályozása, a kalcit szemcsék és az esetleges iszap lebocsátása) összehangolása egyenként is, de összefüggő rendszerében különösen alapvető követelmény. Éppen ezért a gyorsreaktorok a terhelésváltozásra igen érzékenyek. A meszes lágyítással eltávolított egyéb szennyezések: A lassú reaktorokban a nyersvíz egyéb lebegő finom szemcséi és a benne lévő kolloidok szintén pelyhesednek a mész, ill. az egyéb derítőszerek hatására, tehát egyben derítési folyamat is végbemegy. A derítőszerekkel kombinált meszes lágyítás közben a pH-érték alakulásától függően, a fémsók-, a foszfor-, a kovasav-, valamint a széndioxid-szennyezések is csökkennek. Ugyancsak csökken a szervesanyag-szennyezés, különösen, ha a reaktorba bizonyos mennyiségű levegőt is adagolnak (pl. „NADOX” reaktor). A reaktorban kialakuló nagy szorpciós felületet képviselő pehelyfüggöny jelentős adszorpciós hatása szintén eltávolítja az oldott szennyezések egy részét. A lezajló derítési folyamat miatt a lebegőanyaggal szennyezett vizek meszes lágyítása előtt nincs szükségderítésre, szűrésre. A lassú reaktorok előnyei: nem érzékenyek a terhelésváltozásokra és a kis terhelésre, nem érzékenyek a nyersvíz szervesanyag és lebegőanyag tartalmára, -

IPARIVÍZ

44

karbantartási igényük minimális, kezelésük egyszerű. A lassú reaktorok hátrányai: a nagy méretű berendezések miatt a helyigényük nagy, a reakcióidejük nagy, a 2 nkº-nál nagyobb magnézium-karbonát tartalom esetén, a maradék karbonátkeménység nagy, nagy a leiszapolási veszteségük (1-3 %). A gyors reaktorok előnyei: a reakcióidejük rövid, a kisméretű berendezések miatt a helyigényük kicsi, a beruházási költségük kicsi, a kezelésük egyszerű, a leiszapolási veszteségük kicsi. A gyors reaktorok hátrányai: nagyon érzékenyek a nyersvíz lebegőanyag szennyezéseire, a nyersvíz magnézium keménysége nem lehet nagyobb, mint az állandó keménysége, a terhelésváltozásra igen érzékenyek, nagy karbonátkeménységű víz esetén a távozó víz zavaros. 3.4.2. Mész-szóda lágyítás A folyamat lényege, hogy a kalcium-hidroxid kicsapja a víz karbonát keménységét, a szóda pedig a nemkarbonát-keménységet okozó kalcium- és magnézium sóit. A szódaeljárás reakciói: CaSO4 + Na2CO3 ⇔ CaCO3 + Na2 SO4 CaCl2 + Na2CO3 ⇔ CaCO3 + 2 NaCl MgSO4 + Na2CO3 ⇔ MgCO3 + Na2 SO4 MgCl 2 + Na 2 CO3 ⇔ MgCO3 + 2 NaCl Az oldatban maradó MgCO3 a második lépésben mésszel Mg(OH)2-dá alakul, kiülepíthető. A reagensek fölös mennyiségei egymással is reagálnak Ca (OH ) 2 + Na2CO3 ⇔ CaCO3 + 2 NaOH . Tehát a változó keménységet okozó hidrogén-karbonátokat karbonát, ill. hidroxid alakban kicsapja, a nemkarbonát-keménységet okozó sókat pedig nátriumsókká alakítja. A mész-szóda eljárást általában meleg nyersvízzel végzik, mert így lényegesen csökken a reakcióidő és a lágyított víz maradékkeménysége. A folyamat mészszükséglete az előző pontban tárgyaltak szerint, szódaszükséglete pedig a következők szerint számítható: Na 2 CO3 = 52,9 NKKg / m 3 NKK – a nyersvíz nemkarbonát-keménysége [mekv/l] Az üzemi vegyszerszükséglet meghatározása laboratóriumi próbalágyítással végezhető el pontosan. Egyébként a mész-szóda eljárást ma már ritkán, csak kis vízmennyiségek esetén alkalmazzák.

45

IPARIVÍZ

A mész-szóda lágyítóberendezésnél a lágyítandó vizet négy részre osztják. Egy részét a mésztejtartályba, másik részét a mésztelítőben, harmadik részét a szódaoldóba, negyedik részét a melegítőn keresztül a reaktorba vezetik. A négyféle vizet utána a reaktor keverőcsövébe, ill. a reaktor aljába táplálják. 3.4.3. Savas lágyítás A reaktorban a víz tartózkodási ideje a víz hőmérsékletétől függően 1 – 3 óra. A víz hidrogén-karbonát tartalmának nemkarbonát tartalmú sókká való átalakítására alkalmas a kénsav vagy a sósav. A víz sótartalma nem változik. Ritkán alkalmazzák a recirkulációs hűtőkörök karbonátkeménységének csökkentésére. A reakcióegyenletek a következők: Ca ( HCO3 ) 2 + H 2 SO4 ⇔ CaSO4 + 2CO2 + 2 H 2O Mg ( HCO3 ) 2 + H 2 SO4 ⇔ MgSO4 + 2CO2 + 2 H 2O 2 NaHCO3 + H 2 SO4 ⇔ Na2 SO4 + 2CO2 + 2 H 2O Ca ( HCO3 ) 2 +2 HCl ⇔ CaCl2 + 2CO2 + 2 H 2O NaHCO3 + HCl ⇔ NaCl + CO2 + H 2O A reakció, jelentős széndioxid termelő, tehát gondoskodni kell a víz gáztalanításáról, ellenkező esetben korróziót okoz. Továbbá igen nagy gonddal kell az adagoló sav Mg ( HCO3 ) 2 + 2 HCl ⇔ MgCl2 + 2CO2 + 2 H 2O mennyiségét beszabályozni, mert a maradék sav a vízrendszer berendezésein súlyos korróziós károkat okoz. Tehát mindig maradék karbonátkeménységet kell biztosítani. További gondot okoz az SO4-- vagy a Cl- -nek a bevitele a rendszerbe. Az eljárást a magas savköltségek és az igen nehézkes üzemvitel miatt csak ritkán alkalmazzák. 3.4.4. Termikus vízlágyítás (vízkő kiválás) A termikus vizlágyítás, hő hatására bekövetkező spontán folyamat, ami a magas hőmérsékletű vizes hűtések, vagy vizes kazánok esetén következik be. A HCO3 tartalmú vizek esetében ugyanis, a vízben tartozékos CO2 –nek kell oldatban lenni. Amennyiben a vízben lévő szabad szénsav mennyisége, csak az un. tartozékos szénsav, ekkor van a vízben mész-szénsav egyensúly. Ismert azonban az is, hogy a gázok folyadékban lehetséges oldhatósága, nagymértékben függ a víz hőmérsékletétől is. Tehát a fenti, egyensúlyi helyzetben, ha a vizet melegítjük, és túlhaladja a hőmérséklete a vízben lévő, keménységet okozó, Ca, vagy Mg(HCO3)2 egy részének, vagy egészének oldatban tartásához szükséges CO2 vízben való oldhatósági határát, és így CO2 távozik a rendszerből. Ennek megfelelően a távozott CO2 által oldatban tartott Ca (HCO3)2 felbomlik, csapadéka a CaCO3. Ez által ugyan a víz lágy, vagy lágyabb lesz, de a csapadék, a vízzel érintkező szerkezetek falán, vízkő formában lerakódik.

IPARIVÍZ

46

3.4.5. Mágneses vízkezelés (vízlágyítás)

Az üzemi vízhálózatba belépő vizet mágneses téren ( permanens-, vagy elektromágnes) áramoltatják át, ahol a vízkő kristályokat (kalcit kristályok) képező Ca+ ionokra a mágneses flukszus olyan hatást gyakorol, hogy egy ideig nem képesek szabályos és össze- valamint a fémfalra épülő kristályokat képezni. A mágneses tér hatására ugyanis a kalcit mikrokristályoknak hiányzik a csúcsuk, ahol a kristályok össze, vagy a fémfalra tudnak nőni. Ezért a képződött hiányos mikrokristály szemcsék a vízben úsznak, ugyanúgy, mint a vízkőképződést gátló inhibitorok alkalmazása esetén. Mivel a finom diszperzió koncentrációja folyton növekszik, ezt szűréssel csökkenteni kell (részáram szűrés). Ez a gátló hatás azonban nem minden víz esetében működik, valószínű, hogy valamelyik szennyező ion, vagy ion összeállás gátolja. A működés hatásmechanizmusa még ismeretlen. Jelenleg a berendezéseket általában úgy tudják eladni, ha előtte kipróbálják pár hónapig. További probléma még, a működő berendezések esetében is, hogy a kritikus ionok, vagy víz molekulák, csak bizonyos ideig emlékeznek az őket érő mágneses hatásra. Tehát egy nagyobb vízhálózatban, a hálózat távolabbi pontján már megszűnik a kalcit kristály szerkezetét módosító hatás, azaz távolabb egy másik berendezést is célszerű beépíteni. 3.5. Ioncsere a vízkezelésben (kemoszorpció)

Az ioncsere szorpciós folyamat, ahol az ioncserélő – pozitív vagy negatív töltésű ionos aktív csoport – az egyes ionjait a vizes oldatban lévő, azonos töltésű ionokkal képes kicserélni. A folyamat reverzibilis, az oda-, ill. visszacsere feltételeink biztosításától függően. Ezáltal biztosítható az ioncserélő anyagok kimerítése (a víz sótalanítása) ill. regenerálása. A jelenleg alkalmazott ioncserélő anyagok túlnyomó része műgyanta alapú, legnagyobb részben polisztirol és divinil-benzol kopolimer. A természetben is található számos ioncserélő tulajdonsággal rendelkező anyag (zeolit, glaukonit, montmorillonit stb.), amelyeket kezdetben technikai célú ioncsere megvalósítására is alkalmaztak. Utóbbi időben egyre több szennyvízkezelési célra kísérleteznek a természetes ioncserélők felhasználásával. Az ioncsere pillanatok alatt lefolyó reakció, de az ionoknak a gyantaszemcsékbe történő diffúziója időt vesz igénybe, ezért a folyamat időigényét tulajdonképpen a diffúzió sebessége határozza meg. A vízkezelési technológiákban csaknem kizárólag szerves, műanyag alapú gyantákat alkalmaznak, amelyek polimerizáció vagy polikondenzáció útján készülnek. A vegyi és termikus igénybevétel szempontjából a polimer gyanták stabilabbak. Az ioncserélőket nagy porozitású térhálósított gyöngypolimerekből készítik. A térhálósított vázra beépített aktív csoportoktól függően megkülönböztetünk kation- és anioncserélő gyantákat. Az ioncserélők aktív csoportjai teljesen vagy kismértékben disszociált állapotban vannak, attól függően, hogy erősen savas, ill. lúgos vagy gyengés savas, ill. lúgos ioncserélők.

IPARIVÍZ

47

Az ioncserélő gyanták akkor képesek ioncserére, ha a kicserélendő ionoknak nagyobb az affinitása az aktívcsoporthoz, mint a benne lévő ioné, vagy pedig az oldatban lévő ionok koncentrációja elég nagy ahhoz, hogy a tömeghatás törvényének érvényesülésével az egyensúly felboruljon. Az előzőekkel magyarázható pl. az erősen savas ioncserélők működése, amelyek minden kationt H+-re cserélnek, mivel az aktívcsoportjának, a szulfoncsoportnak az affinitása a H+-hoz kicsi. Ezért a regenerálásához erős savra van szükség. A gyengén savas ioncserélők aktív csoportjaihoz a H+ affinitása nagy, ezért csak lúgos vagy semleges közegben és csak a Ca++- és Mg++ -ionokat cseréli H+-re. Regenerálásuk gyengébb, ill. kisebb koncentrációjú savakkal is lehetséges. Az erősen bázisos anioncserélő gyanták kvaterner-ammónium aktív csoportokat tartalmaznak, amelyek affinitása a OH- -ionokhoz kicsi, ezért azt bármely más anionra kicserélik. Regenerálásukhoz éppen ezért erős lúgra van szükség. A gyengén bázisos gyanták aktívcsoportjai különböző aminok, amelyek affinitása azonban a OH- -hoz nagy, ezért azt csak savas közegben és csak az erős savak (ásványi savak) anionjaira cserélik. Az ioncserélő gyanták anyagára, alkalmazási módjára és területére, üzemi viszonyaira jellemző főbb paraméterek a következők: sűrűsége, nedvességtartalma, térhálóssága, pórusossága, stabilitása, kapacitása, szelektivitása, fajlagos vegyszerfelhasználása, szemcsemérete stb. A gyanták üzemi jellemzőit a gyártó cégek garantálják, azonban a legfontosabb üzemi jellemzők laboratóriumi ellenőrzése célszerű. A kereskedelmi forgalomban számos ioncserélő gyantatípus van. Nemzetközi viszonylatban is jó minőségűek a hazai Varion típusú gyanták, de többféle külföldi típus is ismeretes (Lewatit, Wofatit, Permutit, Amberlite stb.). A vízkezelési technológiák feladata, hogy a vízben lévő szennyező ionok közül csak a vízhasználatban nem kívánatos ionokat és csak a szükséges mértékben távolítsa el. Az ioncsere technikában ennek megfelelően különböző ionokat, gyakorlatilag különböző mértékben eltávolító módszereket dolgoztak ki és alkalmaznak. Ezek közül a továbbiakban csak a jelentősebbeket tárgyaljuk. 3.5.1. Nátrium ioncserés lágyítás

A vízben lévő keménységet okozó Ca++ - és Mg++ - ionokat Na+ - ionokra cseréli. (21. ábra). A víz sótartalma tehát nem csökken (sőt a kicserélt ionok egyenértéktömegeik arányában még növekszik), csak a víz összes keménységét csökkenti. Nem nagy keménységű vizekből alig kimutatható keménységű víz termelhető, 20 nk° feletti vizekből azonban 0,1 nk°-nál (ellenionhatás miatt) nem lehet lágyabb vizet előállítani. A víz ioncserés lágyításakor a következő reakciók folynak:

IPARIVÍZ

48

Ca ( HCO3 ) 2 + 2 Na − R ⇔ Ca − R2 + 2 NaHCO3 Mg ( HCO3 ) 2 + 2 Na − R ⇔ Mg − R2 + 2 NaHCO3 CaSO4 + 2 Na − R ⇔ Ca − R2 + Na2 SO4 MgCl2 + 2 Na − R ⇔ Mg − R2 + 2 NaCl CaCl 2 + 2 Na − R ⇔ Ca − R2 + 2 NaCl MgSO4 + 2 Na − R ⇔ Mg − R2 + Na2 SO4

A kimerített Na+ -ioncserélő gyantát általában 10 %-os konyhasó oldattal regenerálják (ha eléri a lágyvíz a 0,1 nk°-ot). A regeneráláskor a gyanta abszorbeált Ca++ - és Mg++ ionjait Na+ -ra visszacserélik. Nagy karbonátkeménységű víz magasabb hőmérsékleten történő lágyításkor a gyanta elvízkövesedik és hatásfoka romlik, ekkor savas kezelést szükséges alkalmazni. A gyanta olaj- és kolloid szennyezése esetén szintén hatásfokromlással kell számolni. A gyanta folyamatos kapacitáscsökkenésével kell ugyancsak számolni, ha a vízben 0,3 mg/l feletti mennyiségben vas (III) és mangán (III)-ionok is jelen vannak.

22. ábra: Na+ ioncserélő lágyító 1. ioncserélő tartály, 2. sóoldó tartály, 3. nyersvízbevezetés, 4. lágyítottvíz elvezetés, 5. támréteg, 6. szűrőhomok, 7. ioncserélő gyanta, 8. konyhasó, 9. öblítővíz, 10. öblítővíz-elvezetés, 11. sólébevezetés, 12. rotaméter, 13. sóléelvezetés A regenerálást homokszűrőn megszűrt sóoldattal egyenáramban vagy ellenáramban végzik. A regenerálás befejezésekor a sóoldatot a regenerálás irányának megfelelően kiszorítják, majd a kimerítéssel azonos irányú, 15-20 m/h sebességű mosást végeznek nyersvízzel. A teljes regenerálási művelet 2-4 óra időtartamot igényel.

49

IPARIVÍZ

3.452. Egyáramos részleges sótalanítás

Az egyáramos ioncsere alkalmazása részleges sótalanítást (alkálimentesítést) eredményez, ha egy gyengés savas (COOH aktívcsoport) H+ - és egy Na+- ioncserélő oszlopot sorba kapcsolnak (22. ábra). A gyengén savas H+ kation-cserélő csak a hidrogénkarbonáthoz kötött kationokat cseréli H+-ra: Ca ( HCO3 ) 2 + 2 H − R ⇔ Ca − R + 2 H 2O + 2CO2 Mg ( HCO3 ) 2 + 2 H − R ⇔ Mg − R + 2 H 2O + 2CO2 NaHCO3 + H − R ⇔ Na − R + H 2O + CO2 A Na+ - kation-cserélő a víz maradék állandó keménységét okozó Ca++ -és Mg++ionokat cseréli Na+ -ra. CaSO4 + 2 Na − R ⇔ Ca − R2 + NaSO4 CaCl 2 + 2 Na − R ⇔ Ca − R2 + 2 NaCl MgSO4 + 2 Na − R ⇔ Mg − R2 + Na2 SO4 MgCl2 + 2 Na − R ⇔ Mg − R2 + 2 NaCl .

23. ábra: Egyáramos részleges sótalanító Ezzel a kezeléstechnológiával tehát nemcsak a keménységet okozó sókat cserélik ki, hanem nagy hidrogénkarbonát-tartalom esetén a víz összes oldott sótartalmát is jelentősen csökkenteni lehet, a teljes sótalanítási eljárásnál lényegesen gazdaságosabban. A H+ oszlopot 2-3 % -os sósavval, a Na+ oszlopot 8-10 %-os konyhasó oldottal regenerálják. Ezt az eljárást tehát nagy hidrogénkarbonát-tartalmú nyersvíz esetén célszerű alkalmazni.

50

IPARIVÍZ

3.5.3. Teljes sótalanítás ioncserével

Az előzőekben ismertetett ioncsere-eljárások a vízben lévő sótartalmat nem vagy csak részben csökkentik. Az ipari technológiai folyamatokban azonban számos esetben szükséges a gyakorlatilag teljesen sómentes víz használata. Ennek elérése céljából – a víz sóösszetételétől és a sómentesítés megkövetelt mértékétől függően – a H+ és az OHformájú oszlopokat többféle módon kapcsolják sorba. Kétlépcsős sótalanítást használnak, ha a víz karbonátkeménysége, valamint szulfát- és kloridszennyezése alacsony, pl. mésszel előlágyított víz esetén. Az erősen savas és az erősen bázisos oszlopot sorba kapcsolják. Nagyobb karbonátkeménység esetén kétlépcsős oszlop közé (a H+ - oszlop után) gáztalanítót is szükséges elhelyezni a keletkezett CO2 eltávolítása végett (23. ábra).

24. ábra: Kétlépcsős sótalanító, gáztalanítással Az ioncsere folyamata: A szulfonsavas (erősen savas) gyanták hidrogénciklusban (R- SO3H) az összes fémsóval (kationokkal) reagálnak, és szabad savat hoznak létre. Ca ( HCO3 ) 2 + 2 H − R ⇔ Ca − R2 + 2 H 2 O + 2CO 2

CaSO4 + 2 H − R ⇔ Ca − R2 + H 2 SO4 CaCl 2 + 2 H − R ⇔ Ca − R2 + 2 HCl Mg ( HCO3 ) 2 + 2 H − R ⇔ Mg − R 2 + 2 H 2 O + 2CO 2 MgSO4 + 2 H − R ⇔ Mg − R2 + H 2 SO4 MgCl2 + 2 H − R ⇔ Mg − R2 + 2 HCl NaHCO3 + H − R ⇔ Na − R + H 2 O + CO 2 Na 2 SO4 + 2 H − R ⇔ 2 Na − R + H 2 SO4 NaCl + H − R ⇔ Na − R + HCl NaH 3 SiO4 + H − R ⇔ Na − R + H 4 SiO4

51

IPARIVÍZ

Az így nyert oldatot kvaterner ammónium aktív csoporttal rendelkező, hidroxilciklusban levő (erősen bázisos) gyantán átvezetve, a szabad savak anionjait abszorbeálja

H 2 SO4 + 2OH − R ⇔ SO4 − R2 + 2 H 2 O HCl + OH − R ⇔ Cl − R − H 2 O H 2 CO3 + 2OH − R ⇔ CO3 − R2 + 2 H 2 O H 4 SiO4 + OH − R ⇔ H 3 SiO4 − R + H 2 O Az így elérhető sótalanítás: Vezetőképesség: 1 μS/cm, SiO2-tartalom: 0,02 mg/l. Az erősen savas H+ formájú oszlop visszatartja a vízben lévő, gyakorlatilag összes kationt, az erősen bázisos oszlop pedig az összes aniont. Amint a kationoszlop nyomokban átengedi a Na+-ionokat, az anionoszlopban NaOH keletkezik és a kezelt vízben néhány mg/l lúgosság jelenik meg. Ez a lúg a kisnyomású kazánokban kedvező, a nagynyomásúakban viszont káros hatással jár. Négylépcsős sótalanítót a nagy sótartalmú vizek sómentesítésére használnak, az ellenionhatás csökkentése céljából. A H+ formájú erősen savas kationcserélő oszlop után elhelyezett OH- formájú, gyengén bázisos oszlopot gáztalanító követi, majd ismét erősen savas H+ és erősen bázisos OH formájú oszlop (24. ábra). Az így elérhető sómentesítés: Vezetőképesség 0,3 μS/cm, SiO2-tartalom 0,02 mg/l.

25. ábra. Négylépcsős sótalanító. Kevertágyas ioncserélőt általában két-, három- (esetleg négy-) lépcsős teljes sótalanító után kapcsolnak, ha nagy tisztaságú víz előállítása (szuper tisztavíz) szükséges, pl. a nagynyomású, korszerű szuperkritikus kazánok tápvíz-előkészítésekor, vagy a vegyipari, ill. az elektronikaipari technológiák „finomvizeinek” előállítását végzik. (25. ábra.)

52

IPARIVÍZ

A kevert ioncserélőágy erősen savas kationcserélőt (pl. Varion KS – H+ formában) és erősen bázisos anioncserélőt (pl. Varion AT 660 – OH- formában) tartalmaz. A kevertágy úgy működik, mintha nagyszámú kation- és anioncserélőt kapcsoltunk volna sorba váltakozva, ami az ellenionhatást minimálisra csökkenti. Az így elérhető víztisztaság: Vezetőképesség: 0,1 μS/cm alatt, SiO2-tartalom: 0,01 mg/l alatt. A kevertágyat mégsem alkalmazzák kizárólagosan, hanem csak a kation- és anionoszlopok után, tehát finomításra. Ennek oka a kevertágyas ioncserélők nehézkes regenerálása, a gyanta kisebb kapacitása, a nagyobb fajlagos vegyszerfelhasználás. Hátrányai miatt – ami a nagyobb sótartalmú vizeknél jelentkezik – csak kis sótartalmú víz kezelésére használják (utószűrő, őrszűrő, stb.). A kevertágy regenerálását csak a gyantaágy szétválasztásával lehet elvégezni, ami a kétféle gyanta eltérő szemnagysága és sűrűsége miatt megvalósítható (kationszemcsék Ø 0,65-1,25 mm, anionszemcsék Ø 0,25-0,60 mm.) A regenerálás folyamatát kétféle módon végezik: belső regenerálás, külső regenerálás. -

26. ábra. Kevertágyas sótalanító

3.5.4. Ioncserélő oszlopok regenerálása:

Az ioncserélő gyantát kimerüléskor regenerálni szükséges, hogy ismételten fel tudjuk használni. A regenerálás – a gyanta aktív csoportjától függően – más-más vegyszerrel Ca − R2 + 2 NaCl ⇔ 2 Na − R + CaCl2

IPARIVÍZ

53

történik Az erősen savas Na+ formájú ioncserélőt 10 %-os konyhasóoldattal regenerálják: Az erősen savas H+ formájú ioncserélőket 6-10 %-os sósavval vagy 6-8 %-os kénsavval Mg − R2 + 2 NaCl ⇔ 2 Na − R + MgCl2 regenerálják. A sósav regenerálás pl. a Ca++-ionok esetében: Ca − R2 + 2 HCl ⇔ 2 H − R + CaCl 2 . Kénsavas regenerálás esetén a keletkező CaSO4 (gipsz) eltömi a gyanta pórusait és Ca − R2 + 2 NaCl ⇔ 2 Na − R + CaCl2 2 Na − R + H 2 SO4 ⇔ 2 H − R + Na2 SO4 csökken a kapacitása. Ennek elkerülésére NaCl-oldattal előregenerálnak: Szintén elkerülhető a gipszkiválás, ha a regeneráló kénsav egy részét (30 %-át) egészen híg oldat (0,5-1,0 %-os) formájában vezetik át a gyantán előregenerálásként. Az erősen bázisos anioncserélőket NaOH-val (4 %-os oldattal), a gyengén bázisos anioncserélő gyantát pedig lehet NaCO3 10 %-os oldatával is regenerálni:

CO3 − R2 + 2 NaOH ⇔ 2OH − R + Na2CO3 Cl − R + NaOH ⇔ OH − R + NaCl SO4 − R2 2 NaOH ⇔ 2OH − R + Na2 SO4 H 3 SiO4 − R + NaOH ⇔ OH − R + NaH 3 SiO4 A vízben oldott ionokat a különböző ioncserélőkön a környezettechnikában részletesebben tárgyalt elvek alapján, adott sorrendben kötődnek meg, a kötéserősségüknek (affinitásuknak) megfelelően. Így a kationcserélőn azonos koncentrációjú oldatból először a Ca++, majd a Mg++, a Na+, a H+ kötődik meg. Ennek megfelelően egy felülről lefelé üzemelő, erősen savas kationcserélő oszlopon legfelül szinte kizárólag Ca++-ionok, legalul pedig kizárólag alkáliionok (pl. Na+) találhatók megkötve (26/a. ábra szerint). Az oszlop kimerülését tehát az jelzi, hogy az alkáliionok (Na+) mennyisége a sótalanított vízben megnő. Egyenáramú regenerálás esetén a friss savat a H+ formájú oszlop legjobban kimerített legfelső rétegére vezetik, ahol annak koncentrációja rohamosan csökken, kiszorítva a gyantából az ott levő Ca++-, Mg++-ionokat, amelyek koncentrációja rohamosan növekszik és az oszlop alsó, a kimerítéskor nem telített rétegeihez érve, azokat is telíti Ca++ és Mg++ ionokkal. Csak később, a regeneráló sav koncentrációjának az eluátumban való növekedésekor indul meg a gyanta alsó rétegeiben megkötött ionok gyors kiszorítása. A teljes kiszorítás felső rétegben történik meg először és fokozatosan halad lefelé. A regenerálás elején telített alsó rétegekből is a megfelelő kiszorítás jelentős többletsav-mennyiséget igényel, ennek ellenére az oszlopban a legalsó rétegben marad vissza a legtöbb ki nem szorított ion (26/b. ábra szerint). Ez az oka, hogy regenerálás után a kimerítés kezdetén nagyobb a sótalanított víz iontartalma, mint később. Ugyanis a felső rétegekben végbemenő ioncsere hatására kilépő H+-ionok az oszlop alsó rétegeiből kiszorítják a visszamaradt kationokat (utóregenerálás). Ellenáramú regenerálás esetén a regeneráló oldatot ellentétes irányból, az oszlop legalsó rétegére, tehát a legkevésbé kimerített gyantarétegre bocsátják. Ebben az esetben az alsó rétegek mindig friss vegyszeroldattal érintkeznek, ezért azokban a vízszennyező ionok teljes mértékben H+-, ill. OH— ionokra cserélődnek (26/c. ábra). Ezért az oszlop felső rétegeibe szorult Na+ -ionok kimerítéskor nem a sótalanított vízzel távoznak,

IPARIVÍZ

54

hanem az oszlop alsó rétegeiben megkötődnek. A 26. ábra szemléltetően bizonyítja, hogy ellenáramú regenerálás esetén az ioncserélő oszlopban regeneráláskor kevesebb szennyező ion marad, és úgyhelyezkedik el abban, hogy kimerítéskor nem szennyezi a sótalanított vizet. Ez a megállapítás mind a kation-, mind az anioncserélőre egyaránt vonatkozik. Az ellenáramú regenerálás további jelentős előnye, hogy a regenerálásához szükséges vegyszer (a regeneráló vegyszertől, a regenerálandó gyantától, az előállítandó víz minőségétől és az elérendő gyantakapacitástól függően) 40-70 %-a az egyenáramú (azonos mértékű) regenerálás esetén igényelt vegyszermennyiségnek. Még az azonos regenerálási szint esetén is fennállnak azonban az ellenáramú regenerálás előzőekben ismertetett előnyei.

27. ábra: Ioncserélő oszlop (kation) vízszennyező iontartalma

IPARIVÍZ

55

4. IPARI SAJÁTOS HASZNÁLTVÍZ (SZENNYVÍZ) KEZELÉSI ELJÁRÁSOK 4.1. Az ipari használt vizek szennyezései

Az ipari üzemekben minden használt vizet valamilyen mértékű szennyezés éri, ha más nem, akkor hőszennyezés. Az üzembe táplálás, eredeti állapotához képest a minősége (mennyisége) változik. A használt vizek egy része nagymértékben szennyezett, ezért jelenleg, még tisztítás után sem kerül újra felhasználásra. Ezt a használtvizet, a kibocsátás követelményeinek megfelelően tisztítva kibocsátják. A használtvíznek ezt a részét nevezzük ipari szennyvíznek, vagy hulladékvíznek. A szennyezett, használt ipari vizek, az elhelyezéstől függően (szennyvízkibocsátás, ill. a további felhasználás) különféle kezelést, tisztítást igényelnek. Ennek megfelelően az előző tantárgyak jegyzete és a jelen jegyzet, használtvizek tisztításáról szóló 3. pontja, a befogadóba bocsátásra, valamint az újrafelhasználásra kerülő használtvizek kezelési eljárásaival foglalkozik. A használtvizek szennyezettségét a vízhasználó ipari folyamat, a technológia és annak üzemmódja határozza meg, ami tehát igen sokféle lehet, úgyszólván ipari üzemenként más és más. Az ipari használtvizek elvileg lehetséges elhelyezési módjai a következők: használtvíz újrafelhasználása; mindenkor az újrahasználó ipari folyamat igényei, ill. lehetőségei szerint, közcsatornába bocsátás, élővízbe bocsátás (tó, folyó), elhelyezés mezőgazdasági területen (esetleg hasznosítással egybe kötve). Az ipari szennyvizeket a különböző iparágakban, a gyártástechnológiák szerint szokták csoportosítani. Bár ez sok tekintetben megfelel az üzemi igényeknek (az összes használt vizét egyetlen csatornahálózat szállítja), mégis vannak hátrányai (az egy csatornahálózatba gyűjtött használt vizek szennyező anyagai nem azonos tisztítás technológiával kezelhetők). Továbbá az alkalmazott gyártástechnológia, az azonos termékek esetében sem mindenütt egyforma, és így szennyvizeik sem tisztíthatók minden esetben azonos eljárással. -

Az ipartelepek nagy része – az iparágon belül is – többféle terméket gyárt, továbbá egy termék előállítása is lehet több olyan technológiai művelettel előállítható, amikből különbözőfajta szennyezések jutnak a használt vízbe, ezáltal az üzemekben kevert szennyvíz keletkezik, egyedileg más-más jelleggel és tisztítási igénnyel. Azonban számos esetben a különböző termékek, és gyártástechnológiák is eredményezhetnek azonos, vagy hasonló típusú eljárással tisztítható szennyvizet. Más esetben pedig az azonos termékek előállításából származó szennyvíz igényel különböző tisztítási megoldást. Az ipari szennyvizek, tisztítás szempontjából végzett csoportosításkor, abból kell kiindulnunk, hogy ezek a szennyvizek mit tartalmazhatnak, és nem, hogy milyen gyártott termék előállítása során keletkeztek. Ugyanis számos ipari termék előállításakor keletkező szennyvízben találkozunk azonos tisztítás technológiával kezelhető

IPARIVÍZ

56

szennyezőanyagokkal, különösen a segédanyagokból származó szennyezéseket illetően (olaj, sav, lúg, továbbá a szerves szennyezők esetén stb.). A használt vizek kezelésénél, esetleg együtt kezelésnél, igen fontos csoportok: a) lebegő diszperz és emulgált szennyező anyagok amelyek lehetnek szervetlen anyagok (salak, reve, por vegyi csapadékok stb.),vagy szerves anyagok,( növényi, állati maradványok, bomlási termékek, cseppes és emulgált formában, stb.) b) oldott szennyező anyagok amelyek lehetnek szervetlen mikroszennyezők (toxikus nehézfém ionok, foszfor, szervetlen nitrogén és klór vegyületek, továbbá a szerves komplexek, valamint a savak, lúgok és beoldott kőzetek stb.). Szerves vegyületek, pl. szerves mikroszennyezők (ásványolaj rengeteg származéka, számos fenolvegyületek, növényvédő szerek, felületaktív anyagok) szerves oldószerek, oldott gázok (pl. ammónia, széndioxid) stb.); c) üzemi kommunális szennyvizek amelyek minden ipari üzemben keletkeznek és ismert jellegüknél fogva külön csoportot alkotnak, amit célszerű, - ha van rá lehetőség- csatorna közműben tisztítatni. A gyárak nagy részében kevert szennyvizek keletkeznek, amiben gyakran két, vagy több olyan szennyezés is van, ami nem tisztítható azonos technológiával. A törekvés viszont éppen az, hogy a más-más technológiával kezelhető szennyvíz-féleségeket külön-külön, így a legmegfelelőbb eljárással tisztítsuk, ami viszont csak külön gyűjtött szennyvizek esetén valósítható meg. Kevert szennyvizek esetén viszont, minden külön technológiai kezelést mindig az összes szennyvíz mennyiséggel el kell végezni (többszörös szennyvíz mennyiségek, többszörös költség), nem szólva arról, hogy a híg szennyvízből jóval kevesebb szennyezőanyag nyerhető ki ugyanazon tisztított szennyvíz koncentráció esetén, mint a töményebb szennyvíznél. 4.1.1. Az iparágak használt vizei

A vízigényeknél tárgyalt vízmennyiségeknek az üzemi vízhasználatok során csupán egy kis töredéke, az egész iparra vetítve mintegy 2-3 %-a vész el, (elpárolog, elszivárog, termékekbe épül stb.) A fennmaradó rész végül is – gyakran esetleg többszörös újra használat után – szennyvíz kibocsátásként jelenik meg (2.táblázat)

57

IPARIVÍZ

Több iparág szennyvizére jellemző szennyezés és tisztítási eljárásaik Az iparág—és Szennyvíz jellemzők a szennyvizek eredete

Fizik

2. táblázat. Tisztítási eljárások Kémiai

Biológiai

ai Cukorgyártás: úsztatás, szállítás, szeletelés, szaturáció, diffúzió préselés,kondenzátum Tejipar: edénymosás, tejszeparálás, író, savó Húsipar, Baromfifeldolgo zás, állatpihentető, vágás, hús és zsírfeldolgozás Textilipar, gyapjúfeldolgoz ás: áztatás, mosás, fehérítés, színezés Cellulóz és papírgyártás: feltárás, mosás, fehérítés, osztályozás Gépipar: revétlenítés, zsírtalanítás, galvanizálás, öblítőfürdők Olajfinomítók: frakcionálás,

Nagy lebegőanyag-tartalom, növényi testmaradványok, szénhidrátok

Savó KOI=35 000 [mg/l] Nagy,oldott és lebegő szervesanyag-tartalom, fehérjék, zsírok BOI5=10-20 000 [mg/l] Nagy oldott és kolloid szerves-, szervetlen anyagtartalom, rostok, lebegőanyagok, pektinek, zsírsavak, lúgos detergensek stb. Nagy lebegő, kolloid és oldott szervetlenanyag-tartalom BOI5=1625000 [mg/l] Savak, lúgok, nehézfémek, cianid, mérgező, főként ásványi anyagok. Olajemulziók. Fenol és kénvegyületek, szénhidrogének, hőszennyezés

Fázis szétválasztás rács,ülepítő, ívszita hidrociklon,derítő), , Zsírf ogók Durv

Stabilizációs tó, eleveniszapos biológiai kezelés, öntözés Biológiai csepegtető test (halastó) Fehérjekicsa pás,

Anaerob tó, arácsok, anaerob reaktor finomrácsok, (oldómedence) és oxidációs zsírfogók árok Rács GyapjúzsírEleveniszap ok , rostfogók extrakció, emulzióbontás, os biológiai rendszer pH beállítás kicsapás , Gépi Derítés, szűrés, ülepítés vegyszer regenerációs pH beállítás Ülep Semlegesíté ítés, olajfogás s, a cianid klórozása, a króm redukálása, egyéb fémek kicsapása, emulzióbontás Rács ok, olajfogás,

Stabilizációs tó, levegőztetett tó, eleveniszapos eljárás

Fakultatív, vagy levegőztetett

58

IPARIVÍZ

mosás, hűtés Műtrágya és gyógyszergyártás: edénymosás, hűtővíz, kazániszapolás, anyalúgok

Nagy foszfor és nitrogén tartalom, oldott-szervesanyagok és oldószerek. KOI=1-10 000 [mg/l]

recirkuláció, stabilizációs tavak, eleven előlevegőztetés iszapos biológia. Oldó Elégetése, Egy v. szerfogás, semlegesítés, kolloidbontás kétfokozatú eleveniszapos üstmaradékok eljárás, tavas tározás, kilevegőztetése elöntözés

IPARIVÍZ

59

Bányászat. A bányavizek szennyeződését a föltárt víztartó réteg jellege szabja meg, a víz általában ásványi sókkal szennyezett. A szennyvíz szénszemcsékkel, il. a jövesztett anyagokkal, továbbá föld és meddőkőzet darabokkal szennyezett. Oldott szennyezések a huminsavak és Na, Ca, Mg sók. A pirit tartalmú rétegek savas szennyvizeket, melyek ferroszulfátokat, nem ritkán nikkel, mangán- és arzénvegyületeket is tartalmaznak. A sótartalom igen tág határok között ingadozhat, előfordul 200 [g/l] töménység is. A jövesztett anyagot el kell választani a meddőtől (szénmosás, szénosztályozás, ércdúsítás) ami újabb szennyezőanyag és szennyvízforrás, mivel e műveletek leggyakrabban nedves közegben történnek. Az apró szemcsék és a magas kolloidtartalom (agyagásványok, védőkolloidok) miatt a műveletek meggyorsítására gyakran derítést vagy flotálást kell alkalmazni, ércdúsításnál esetleg szelektív flotálást különféle szervetlen és szerves reagensek sorával, amelyek az egyébként is sok szuszpendált anyagot tartalmazó elfolyó vizeket tovább szennyezik. Villamosenergia ipar. Az iparban a hőerőművek döntően a legnagyobb vízhasználók és használtvíz kibocsátók, nemcsak az iparágban, de az egész iparban. A kibocsátott hatalmas vízmennyiségnek azonban kb. 95 %-a csak hővel szennyezett, ha nem keverik bele az erőmű összes többi szennyezett használt vizeit. Az erőművek egyéb, jelentős vízszennyezései az olaj – különösen az olajtüzelésű kazánok esetében. Továbbá a kazánok póttápvizének előkészítése során keletkező mészhidroxidok, mésziszap, lúg és savszennyezés. A néhány széntüzelésű erőmű salakszállító vizeinek elszivárgó, esetleg lebocsátott része. Külön kategória az atomerőmű, ahol a póttápvíz előkészítő szennyezett vizein és bizonyos mennyiségű olajos szennyvizeken túl radioaktív szennyezett vizek is keletkeznek. Ezeket azonban csak igen gondos tisztítás után bocsáthatják a befogadóba. Kohászat. A vaskohászati vízhasználatok során jellemző szennyezések a hő, a lebegő anyagok (por, reve) a kenőanyagokból származó szennyeződések (olaj, olajos emulziók, faggyú, zsír stb.) és a különféle kémiai szennyeződések. Legnagyobb arányú a hőszennyezés, amely csaknem minden kohászati műveletnél előfordul (nagyolvasztó, lángkemencék, elektrokemencék, tolókemencék, transzformátorok, kompresszorok) és ezeket gyakran kísérnek más szennyeződések is. A kohó betétből származó vasoxidokat, Ca- és Mg- karbonátokat tartalmazó porszennyezés kerül, a gáztisztító nedves porelválasztójának vizébe, ami a kohógáz mosásán túl, a hűtését is végzi. A gázmosó vizébe kerülnek a nagyolvasztóban keletkező cianid és rhodanid szennyezések is. A hengerműben a hűtővíz, nagy reve szennyezést vesz föl. A hengerek, motorok, csapágyak hűtése során a hűtővízbe jelentős kenőanyag szennyezés kerül, annál is inkább, mert a kenőanyagokat is hűteni kell. Gépipar. A gépipari vízhasználatokból származó szennyeződések skálája, az iparág termékválasztékához hasonlóan széles. Jellemzően magas – a sokféle felületkezelési eljárás következtében – a fémsós, a lúgos, savas és különösen a ciántartalmú szennyvizek aránya. A gépipari műveletek közül – a vízhasználatok tekintetében – nagy jelentőségűek a felület-kikészítő eljárások. Ezek legnagyobb része nagyon vízigényes, és az elfolyó vizek kellemetlen, káros, gyakran mérgező szennyezéseket tartalmaznak. Az ilyen szennyvizek kárt okoznak a vízelvezetés műtárgyaiban, veszélyesek a karbantartó

IPARIVÍZ

60

személyzetre, megakadályozzák a biológiai tisztíthatóságot és tönkre tehetik a befogadók élővilágát. A zsírtalanításnál a lúgos fürdőben oldott zsírokat, olajokat tartalmazó lúgos szennyvizek keletkeznek. A kémiai oxidmentesítés (pácolás) során a kimerült savas/lúgos páclé számottevő mennyiségben tartalmaz, a tisztított felületről leoldott nehézfémeket. Fémes bevonatok készítésekor, a galvanizálás során, a kimerült savas/lúgos fürdők lebocsátásakor és az öblítésnél keletkezik a tisztítandó szennyvíz, ami kimondottan kémiai jellegű. A szennyeződések különböző fémionok, savas, vagy lúgos közegben. Különösen veszélyesek a ciános vegyületeket tartalmazó lúgos, és a krómvegyületekkel terhelt savas szennyvizek. Az elektrolitikus kádakban viszonylag csekély mennyiségű, de nagy koncentrációjú szennyvíz keletkezik, az öblítő kádakból kis szennyezettségű, de változó mennyiségű lebocsátás történik, aminek az értéke döntően az öblítési technológia megválasztásának függvénye (0.6-100 l/m2 kezelt felület). Vegyipar. A vegyipari üzemekből elfolyó szennyvizek vegyi összetétele, minőségi jellemzői a feldolgozásra kerülő nyersanyag minőségétől, a gyártmánytól, továbbá az alkalmazott gyártástechnológiától függ. A vegyiműveknél még az azonos gyártási profilhoz tartozó üzemekből is nagyon különböző lehet az elfolyó szennyvíz minősége, az áttekintést pedig tovább nehezíti a vegyipar változatos gyártmányválasztéka, ami rendkívül különböző összetételű és mennyiségű szennyvízkibocsátást eredményez. Egy vegyipari termék általában két, vagy többféle nyersanyagból, félkész termékből, és segédanyagokkal készül. Ezek mindegyikéből juthat a használtvízbe mint szennyezés. Ezért hogy mennyi lehet a vegyipar vízszennyező anyagainak száma, abból az amerikai felmérésből lehet következtetni, hogy csak a vegyipar által gyártott és használt termékféleségek száma több mint egymillió. A vegyiparból származó vizek szennyezései – a befogadókra gyakorolt hatásuk alapján is – két fő csoportra oszthatók: szervetlen oldatok vagy szuszpenzió; és szerves kémiai anyagok. Az ilyen szennyvizek néhány jellegzetes összetevő mellett nagyon sokféle, kémiailag, hatásában nem mindig ismert anyagot tartalmazhatnak. Ez súlyos veszélyt jelent a befogadókra (mérgek, akkumuláció, nem lebomló anyagok, szín-, szag-, íz-ártalom, stb.). Tekintve, hogy a kőolaj-feldolgozás a vegyipar része, itt említjük az egyik veszélyes és legáltalánosabb vízszennyező anyagot az olajat és olajszármazékokat, ami csaknem minden iparág üzemeiben használatos. Az élő vizeket károsító hatása abban is mérhető, hogy 100 dm3 olaj, egy négyzetkilométer vízfelületet képes összefüggően, 0,1 μm vastagon befedni – ami az oxigén felvételt, tehát a légzést végzetesen megakadályozza. Nem is szólva a számtalan, közvetlenül, vagy közvetve életveszélyes vízszennyező vegyianyagról ( peszticidek - növényvédőszerek, festékek, szerves oldószerek, detergensek – felületaktív anyagok, klórvegyületek, gyógyszerek, savak, lúgok stb.). Könnyűipar. A könnyűipar ágazatai: bőripar (szintetikus cserző anyagok, krómsók, színezékek), textilipar (rostanyagok: len, kender, természetes szálak: gyapot, gyapjú feldolgozása), papíripar (félcellulóz, facsiszolat, papírgyártás). Növényi és állati nyersanyagaik feldolgozása során igen nagy szervesanyag-tartalmú szennyvizeket bocsátanak ki technológiáikból. E szennyvizek cukrokat, zsírokat, pektin anyagokat,

IPARIVÍZ

61

szerves savakat, sokféle és nagy mennyiségű kolloid oldatot, rostmaradványokat, mosó, lúg-és savmaradványokat, pác- és festékmaradványokat stb. tartalmaznak. Élelmiszeripar. Az élelmiszeripari ágazatoknak, a könnyűipar tárgyalt ágazataihoz hasonlóan közös jellemzőjük, hogy növényi és állati termékeket, anyagokat dolgoznak föl, így szennyvizeikre a magas szervesanyag-tartalom a leginkább jellemző. •

•

•

•

A cukorgyártás úsztató-, mosó-, áztatóvizei szennyezettségéről, amelyek főként lebegőanyagokat, különböző talajszennyezéseket, ezenkívül oldott szervesanyagokat (elsősorban szénhidrátokat) tartalmaznak. A présvizek (savanyúvizek) a kilúgozott répaszeletek víztelenítésekor keletkeznek és nagymértékben szennyezettek könnyen bomló szénhidrátokat és fehérjéket tartalmazó szerves vegyületek. A tejfeldolgozó üzemekben a vízfelhasználás és így a keletkező szennyvíz mennyiség, egyfelől a hűtővizek visszaforgatásának mértékétől függ, másfelől attól, hogy mennyire használják ki az üzem kapacitását. A szennyvíz legnagyobb szervesanyag-terhelését– amennyiben elfolyik – a savó, valamint a mosóvizek jelentik. A konzervgyártás során a nyersanyagok úsztatásából, mosásából származó szennyvizek elsősorban sok lebegőanyagot: homokot, földet, héjat, magot tartalmaznak. Az egyéb technológiai szennyvizekre az oldott és a kolloidszennyeződések a jellemzőek, közöttük a zöldség és a gyümölcslevek, szirup- és főzetmaradványok, növényi szénhidrátok és fehérjék. A szennyvizek összetétele és szennyezettsége ugyan változó, döntően az éppen feldolgozás alatt álló nyersanyag fajtájától és nem utolsósorban a feldolgozó vonal gyártási eljárásának korszerűségétől függ. A legszennyezettebb vizet az előkészítő műveletek adják, a mosás és tartósítás kevésbé szennyezett vizet eredményez. A húsipar szennyvizeire a nagy mennyiségű vér és egyéb állati fehérje, valamint a magas zsírtartalom jellemző. Sok a darabos szennyezés: a hús-és béldarabkák, köröm, toll, szőr, valamint a gyomor és béltartalomból származó szennyezések. Legnagyobb szennyezettségű a vágásból eredő szennyvizek, különösen, ha a vér visszatartása nem megoldott; azután következnek, szennyezettség szerint a zsírolvasztás és bélmosás szennyvizei. Erős baktérium fertőzöttség, gyakori a patogén szalmonella törzsek előfordulása.

Amennyiben a kibocsátott szennyvizet – más vízhasználó újrahasználja, a szennyvíz kezelésének mértékét, átvételkor, az újrahasználó szabja meg, vagy a megállapodás szerint saját maga tisztítja. 4.1.2. A kibocsátásra kerülő ipari szennyvizek előtisztítási igénye

• • • • •

Az elfolyó szennyvíz a csatornarendszer műtárgyait nem károsíthatja; A csatorna légterébe nem kerülhetnek robbanást okozó gázok, gőzök; Nem vezethetők közcsatornába olyan szennyvizek, amelyek a karbantartást, javítást végző dolgozók életét vagy egészségét veszélyeztetik; Nem kerülhetnek a csatornába olyan anyagok, amelyek a közcsatornán levezetésre kerülő összes szennyvíz tisztítására szolgáló szennyvíztisztító technológia (vagy berendezés) működését akadályozza, vagy korlátozza; Az üzemi szennyvíz mennyiség bevezetésében nem lehetnek olyan időszakos ingadozások, ami a közcsatorna-rendszer levezető képességét meghaladja és

IPARIVÍZ

62

ezzel visszaduzzasztást okoz, vagy az áramlási sebessége a megengedett, elsodró sebesség érték alá csökken, ezáltal csatorna elrakódást és berothadást idéz elő. A fölsorolt általános szempontok érvényesítését, konkrétan az ipari szennyvizek közcsatornába vezetésének feltételeiként, rendelet szabályozza. A vonatkozó rendelet a különböző vízszennyező anyagok közcsatornába vezetésére minőségi határértékeket szab meg, és ennek túllépését „csatornabírsággal” szankcionálja. Az élővizekbe vezetés feltételei (tavak, folyók) jogilag ugyancsak szabályozottak. Az ipari szennyvízbevezetések feltételei, az élővizekbe vezethető szennyezőanyagok határértékei, vízminőségvédelmi terület-kategóriánkén meghatározottak. Amennyiben valamely ipari üzem folyót, vízfolyást, természetes tavat, mesterséges tározót, közcélú (belvíz)csatornát, vagy felszín alatti vizet (tehát az élővíz jellegű befogadókat) károsan szennyezi, vagy a talajon keresztül szennyezheti, a rendeletben megállapított „szennyvízbírságot” kötele fizetni. Mind a csatornabírság, mind a szennyvízbírság rendelet részletesen szabályozza a különböző szennyező anyagok határértékeit és a bírság fizetés feltételeit és módjait. A befogadók védelmével, a szennyvíztisztítások vízgyűjtő menti megosztásával és költség optimalizálásával, a megengedhető terhelésekkel e tárgyban részletesen nem foglalkozunk. Itt is emlékeztetni kell arra, hogy a vízszennyezés a befogadók (egyben vízbázisok) vízminőségének rontásával okozott kár többszöröse a mennyiségi pazarlásnak, mert következményei sokszorozódva – a későbbi költségeket tekintve hatványozottan – jelentkeznek. A bevezetett szennyvizek kezelésének szükséges mértékét és hatékonyságát, tehát a befogadók öntisztuló képességének fenntartását, a biocönózisra gyakorolt hatását és a további vízhasználatokra gyakorolt következményeit együttesen mérlegelve kell meghatározni. A vízminőségvédelem, a természetes vizek öntisztuló képességének megőrzése, esetleg visszaállítása nemcsak rekreációs célból fontos, hanem elsőrendű gazdasági érdek. A vízszennyezés elleni védekezés, a befogadók – mint egyben vízbázisok – vízminőségének védelme komplex jellegű, mivel a víz a természetes és a művi környezetnek csaknem minden elemével kölcsönhatásban van. A hidrológiai körfolyamat átvezet az emberi tevékenységen és ennek következményei nemcsak a vízügyi ágazat területén jelentkeznek. Az emberi beavatkozás – az anyagi termelésben alkalmazott technika hatásának nagyságrendje – olyan mértékű, amely a vizek körforgásának természetes folyamatát mennyiségileg és minőségileg megzavarhatja. Az üzemekből elfolyó szennyvizeket a közcsatornába vezetés előtt, a csatornabírságról szóló rendeletben előírt határértékig elő kell tisztítani, hogy a további tisztítási folyamatokat ne veszélyeztessék, a biológiai tisztító rendszereket ne mérgezzék. A tározás a szennyvíz-előtisztítás, vagy tisztítás viszonylag alacsony költségű, emellett gyakran igen jó hatásfokú módja. Különösen nagy-mennyiségű hosszú kiegyenlítést, stabilizálást igénylő szennyvizek esetén (cukorgyártás, cellulóz, papír, rostfeldolgozó iparágak, olajos szennyvizek stb.) alkalmaznak szennyvíz tározókat. A tározó tóban gépi energiaközlés nélkül is lejátszódnak oxidációs folyamatok, a kiegyenlítődés, ülepítés mellett. Így az oldott szervesanyag-szennyezés is csökken. A

63

IPARIVÍZ

tározás után a szennyvíz – a befogadó terhelhetőségétől függően – a befogadóba, vagy további, kisebb mértékű tisztításra vezethető. 4.2. Az ipari használtvizek sajátos kezelési eljárásai

4.2.1. A víz pH értékének szabályozása Az ipari üzemek technológiájába gyakran jelentkeznek,vegyesen savas és lúgos használt vizek, amiket egymással reagáltatnak, így a semlegesítést, vagy annak egy részét különösebb ráfordítás nélkül megoldják. Mivel legtöbbször csupán a semlegesítés a cél, ez a feladat általában a következő eljárásokkal végezhető: az üzemben másütt keletkezett/lúgos szennyvízzel történő semlegesítés; a befogadó csatorna /fekáliás szennyvize/ lúgosságának felhasználása; semlegesítés: mésztejjel Ca(OH)2 vagy nátronlúggal /NaOH/; az alábbi egyenletek szerint (3.-4. táblázat): H 2 SO4 + Ca (OH ) 2 = CaSO4 + 2 H 2O H 2 SO4 + 2 NaOH = Na2 SO4 + 2 H 2O HCl + NaOH = NaCl + H 2O 2 HCl + Ca (OH ) 2 = CaCl 2 + 2 H 2O

Közömbösítendő savak: Savak Sósav Kénsav Foszforsav Salétromsav

3. táblázat HCl H2SO4 H3PO4 HNO3

A semlegesítésre használt anyagok: A gyakorlatban használt anyagok Mészkő CaCO3 Oltott mész Ca(OH)2 Kalcium oxid CaO Dolomit MgCO3 Nátriumhidroxid NaOH Szóda Na2CO3

Moltömege 36,5 98 98 63 4. táblázat Moltömege 100 74 56 84 40 106

A választás a.) gazdaságossági és b.) technológiai kritériumok alapján történhet: a.) a mész felhasználása olcsó, azonban a nehézkes előkészítés és az iszap kezelés berendezése miatt csak nagy mennyiségek mellett gazdaságos. b.) mész (vagy dolomit) alapú semlegesítőszert használva számítani kell iszap – üledékképződésre – pl. gipsz CaSO4 kiválására. Amennyiben ezt el kell kerülni, úgy NaOH-t kell alkalmazni.

64

IPARIVÍZ

1 kg sav közömbösítéséhez elméletileg szükséges vegyszer és a keletkezett iszap 5.táblázat H2SO4 - kénsav HCl - sósav H3PO4 - foszforsav SAV: 1 kg a Közöm bösítő anyag

elméletileg szükséges

iszap

iszap

HNO3 - salétromsav

iszap

HF - fluorsav

iszap

iszap

kg

kg

kg

kg

kg

kg

kg

kg

kg

kg

0,818

0

1,097

0

0,816

0

0,504

0

*

-

0,9-1

0-0,5

1,1-1,2

0-0,5

0,8-1,0

0-0,5

0,5-0,6

0,-0,5

1,081

0

1,454

0

1,081

1,0

0,841

0

1,1-1,2

0-0,5

1,5-1,7

0-0,5

1,1-1,2

1-1,5

0,9-1

0-0,5

0,837

1,755

1,130

0

0,837

1,755

0,583

0

2,06

1,852

0,9-1

1,7-2,2

1,2-1,3

0-0,5

0,8-1

1,7-2,2

0,6-0,7

0-0,5

2-2,2

1,9-2,4

0,595

0

0,799

0

0,595

1,778

0,463

0

1,457

1,557

0,6-0,7

1,8-2,2

0,5-0,6

0-0,5

1,5-1,7

1,5-2

gyakorlatban várható NaOH

Na2CO3

Ca(OH)2

Mg(OH)2

0,6-0,7 0-0,5 0,8-0,9 0-05 *fluoridokat nem lehet nátriumfluorid formájában leválasztani

*

IPARIVÍZ

65

Az 5. táblázatban nem szereplő közömbösítési eljárások vegyszer igényének és a várható kémiai iszap mennyiségének számításához a kémiai egyenletek alapján felírt sztöchiometriai összefüggések szolgálnak támpontul. A sztöchiometriai egyenletek a molekulasúlyokkal felírhatók. Vegyszer előkészítés és bekeverés Az alkalmazott vegyszer legtöbbször a mész, ugyanis ez a legolcsóbb. Mészkő (CaCO3) alkalmazásával rengeteg szennyeződés kerül az eljárás során a szennyvízbe, ezért az nem gazdaságos. Leginkább elterjedt az oltott mész (Ca(OH)2) alkalmazása. A mészoltást (CaO + H2O = Ca(OH2)) lehet a helyszínen végezni, de egyszerűbb és gazdaságosabb por alakú Ca(OH)2-t vásárolni. A mészhidrát szállítható: tartálykocsiban zsákokban. A közömbösítéshez az üzemben legalább 10 napi mészhidrátot kell tárolni, ennek alapján a tároló méretezése elvégezhető. A korszerű tároló-lefejtő berendezések teljesen hasonlóak a cementsilóhoz és adagoló berendezésekhez. Az adagolás általában nem por alakban, hanem mésztejként (vizes oldat) történik. Vákuumszivattyús mésztejkeverővel a keverési idő: 30 perc. A bekeverendő mennyiség megállapítása a 5. táblázat szerint. 4.2.2. Fémfelület kezelő üzemek szennyvizei

Nehézfémion tartalmú szennyvizek túlnyomó része, a gépipari fémfeldolgozó üzemek felület kikészítő eljárásaiból kerülnek ki. Ezek az üzemek legnagyobb része igen vízigényes, és az elfolyó vizek kellemetlen, káros, esetenként mérgező szennyeződéseket tartalmaznak. Az ilyen szennyvizek kárt okoznak a vízelvezetés műtárgyaiban, veszélyesek a karbantartó személyzetre, megakadályozzák a biológiai tisztíthatóságot, és tönkre tehetik a befogadók élővilágát. Éppen ezért ezek a szennyvizek kezelés nélkül sem szennyvízcsatornába nem vezethetők, sem újra felhasználásra nem forgathatók vissza. A 6. táblázat a fémfeldolgozásban a felület kikészítésnél várható vízszennyezések fajtáit, eredetét és a szükséges legfontosabb kezeléseket foglalja össze.

66

IPARIVÍZ

A fémfeldolgozás vízszennyezései: A szennyezés eredete *fémmegmunkálás hengerlés *homokszóró felülettisztítás zsírtalanítás

6. táblázat

Összetétele olaj, zsír, fémforgács olaj homok

Kezelés olajfogás, zsírfogás, ülepítés olajfogás, ülepítés ülepítés

benzin, benzol

olajfogás

Fémfelület kikészítés vízszennyezései és tisztítása.

pácolás

sósav, kénsav, foszforsav, semlegesítés, fémek kicsapása fémsók galvanizálás savak, nehézfémek, cianid semlegesítés, fémek kicsapása, cianid bontás polírozás foszforsav, kénsav, semlegesítés, fémek kicsapása salétromsav, klórsav tüzibevonatok sósav+szinesfémek semlegesítés, fémek kicsapása eloxálás savak+alumínium semlegesítés, fémek kicsapása foszfátozás foszforsav, cink, mangán, vas semlegesítés, fémek kicsapása kromátos passziválás krómsav, foszforsav, fémek semlegesítés, fémek kicsapása *az olajos szennyvizek tisztításával a következő pontban foglalkozunk. A felületkezelés célja lehet: védőbevonat (korrózió ellen) díszítő bevonat védő-díszítő bevonat technikai bevonat (pl. kopásállóság céljából) előállítás. A felsorolt bevonat fajták és a mindennapi életben tapasztaltak alapján nyilvánvaló, hogy a fémipari termékek többségét egyszerűbb vagy bonyolultabb felületkezelési eljárásoknak vetik alá. A bevonandó tárgyak és a bevonatok sokfélék lehetnek. Ennek megfelelően a felületkezelő módszerek is igen különbözők. Tartózkodási idő a pH szabályozó medencében: a behatási medencében: a sav lúg reakció pillanatszerű, de idegen szennyezőanyagok jelenlétében jelentős késleltetésre kell számítani. A vegyszerbekeverőben a tartózkodási időt ezért 5-15 (10) perc között lehet megválasztani. az ülepítő medencében: a közömbösítési eljárások egy része elméletileg csak oldatokat eredményez, de üledékre mindig kell számítani. Ülepedni fognak egyrészt a szennyvízben egyébként is benne lévő szennyeződések, lebegőanyagok, másrészt az elfolyó fémsók hidrolizálnak és a fémionok hidroxokomplexei pelyhesednek és ülepednek. Az ülepítőt a szokásos eljárással – felületi terhelésre kell méretezni. Az ülepítő iszapjának kezelése: a.) igen nagy üzemekben önálló iszapkezelés lehetséges, a fémek, különösen a nehézfémek visszanyerésével (mérgezőek) és a nem toxikus, stabilizált, víztelenített iszap mezőgazdasági elhelyezésével.

IPARIVÍZ

67

b.) a zagy tárolására és víztelenítésére alagcsövezett pihentető ágyakat kell létre hozni – legalább 10 napos tartózkodási idővel. Az iszapvizet a semlegesítő medence elejére kell visszavezetni. c.) Az iszaplevétel az ülepítőből szakaszos, hogy a zagy sűrűbb legyen. A szárazanyag tartalom így 5-10 tf% A fémfelület kezelő üzemek szennyvizeinek mennyisége,és szennyezése: • A mechanikai felület előkészítés során keletkező szennyvizek nem jelentősek, legfeljebb mechanikai szennyezést tartalmaznak. • A zsírtalanításnál a lúgos zsírtalanító, a lúgos fürdőben alkalmazott ultrahangos és az elektrokémiai módszernél oldott zsírokat, olajokat tartalmazó lúgos szennyvizek keletkeznek. • A kémiai oxidmentesítés (pácolás) alkalmazása során tetemes mennyiségű kimerült savas vagy lúgos páclével és öblítővízzel kell számolni, ami számottevő mennyiségben tartalmazza a pácolt felületről leoldott fémeket. • A felületsimítás és fényezés kémiai és elektrokémiai eljárásai hasonló jellegű szennyvizeket eredményeznek. • A fémes bevonatok készítése során a kémiai és elektrokémiai módszerek lényege, hogy fémsók savas vagy lúgos oldataiból történik a bevonat kiválasztása. Szennyvíz a fürdő kimerülésekor (nagy koncentráció, kis mennyiség) és az öblítésből (kis koncentráció, nagy mennyiség) képződik. • Savas és lúgos szennyvizekre kell számítani a kémiai és elektrokémiai úton készülő fémes bevonatok esetében. • Jelentős a lakk és zománchulladékokat tartalmazó szennyvízmennyiség a festésnél a vízfüggönyös szórókabinokban és az elektroforetikus lakkozás során. A következőkben csak a fémsó tartalmú szennyvizekkel foglalkozunk, melyek a pácolás és a galvanizálás, valamint az ezekhez kapcsolódó öblítések alkalmával keletkeznek. A technológia alapberendezései a kádak, melyekben a kémiai és elektrokémiai folyamatok, valamint az öblítési műveletek végbe mennek. A keletkező szennyvizek mennyisége tág határok között változik, függ a bevonandó felület méretétől, alakjától, az alkalmazott technológiáktól. Döntő mértékben befolyásolja a szennyvíz mennyiséget az öblítési technológia. Azonos galván elektrolit technológiai paraméterek mellett (0,05 – 0,06 l/m2)az öblítővíz mennyisége a különböző öblítési módszerek esetén az alábbiak szerint alakul: - egyszerű, egyrészes túlfolyós kád………………………………100,0 l/m2 - egyszerű, kétrészes túlfolyós kád…………………………………6,3 l/m2 - kétfokozatú, ellenáramú öblítés…………………………………... 3,2 l/m2 - háromfokozatú, ellenáramos öblítés……………………………….. 1,0 l/m2 - négyfokozatú, ellenáramos öblítés ………………………………. 0,6 l/m2

Néhány tájékoztató jellegű üzemi adat a szennyvíz mennyiségekre: • pácolás ………………………………………………………0,4 – 1,1 l/m2 • pácolás + öblítés……………………………………………..2,0 – 30,0 l/m2 • galván szennyvíz (teljes folyamat)……………………………80 – 165 l/m2

IPARIVÍZ

68

A szennyvíz mennyisége üzemenként a néhány m3/d értéktől egészen a napi több száz m3-ig terjedhet a termeléstől és a technológiáktól függően. A szóban forgó szennyvizek megfelelő kezelés nélkül az üzemekből kikerülve igen károsak; korróziós hatást fejtenek ki, felborítják az élővizek biológiai egyensúlyát, megakadályozzák az öntisztulást, a nehéz fémsók pedig már kis koncentrációban is erős mérgek. A szennyező anyagok mennyiségének jobb bemutatásához 13. táblázatban megadjuk egyes jellemző alkotóra a szennyvízben előforduló, ill. a kibocsátott szennyvizekben megengedett mennyiségeket. 4.2.3. Fémionok kicsapása pH beállítással: A savas vagy lúgos szennyvizek közömbösítése a szükséges mennyiségű lúg vagy sav hozzáadásával egyértelmű és aránylag egyszerű feladat. Fémsó tartalmú oldatok esetén azonban számos eltérő körülményt kell figyelembe venni.

A szennyvíz semlegesítés feladata kettős: Egyrészt a biológiai folyamatokra ártalmatlan pH érték beállítása, másrészt az oldott nehézfémek átalakítása nehezen oldódó hidroxidokká vagy bázikus sókká, hogy azok a szennyvízből eltávolíthatók legyenek (kicsapás). Egyidejűleg azonban mindkét követelménynek minden esetben maradéktalanul eleget tenni nem lehet. A hidroxidok kicsapása meghatározott alsó pH értéknél indul meg és felső határnál befejeződik. A kicsapási pH tartomány a különböző fémeknél eltérő és gyakran lényegesen eltér a semleges pH = 7 értéktől, Hartinger kutatásai alapján a fontosabb fémekre vonatkozóan a 7. táblázatban adunk áttekintést. A táblázatból az is kitűnik, hogy a kicsapási tartomány egyes esetekben a kicsapó szertől is függ. Ha a kicsapás nem nátronlúggal vagy mésztejjel, hanem nátriumkarbonáttal (szóda) történik, egyes esetekben nem hidroxidok, hanem a nehézfémek karbonátjai vagy bázikus karbonátjai képzőnek, melyek oldhatósága lényegesen eltérhet a hidroxidoktól. Vagy pl. a kadmium szódával már 7,2 pH-nál jól kicsapható, míg egyébként 9,5 – 9,7 pH szükséges. Az alumínium, a cink és a króm amfoter elemek, amelyek savas és lúgos közegben egyaránt oldódnak. Nátronlúg helyett mésztejjel való kicsapással az újraoldás fékezhető. Az a tény, hogy valamely fém 3 mg/l érték alá kicsapható, még nem jelenti azt, hogy a méregtelenítési feladat megoldódott. Pl. az ezüst, az ón és az ólom, egyéb nehézfémek jelenléte nélküli, kicsapásnál kolloid oldatot képez, ami nem is ülepíthető és nem is szűrhető. Más nehézfémekkel együtt – pl.: vas (III.) – ezek a fémek jól pelyhesedő hidroxidokat alkotnak, így azokkal együtt bizonyos mértékig eltávolíthatók. A kicsapás után még oldatban maradó nehézfémek mennyiségét befolyásolja a víz keménysége is. Cinkhidroxid csapadék jobban képződik ammónium ionok jelenlétében. Ellenben a krómhidroxid nátriumkarbonáttal nem csapadékot, hanem oldódó komplex vegyületeket alkot. Többfajta ion egyidejű jelenléténél egyes esetekben kedvező tapasztalatokat szereztek. Így pl. azonos mennyiségű nikkel és króm együttes kicsapásánál a nikkel már pH=8-nál 1 mg/l –re csökken, míg egyébként ehhez az eredményhez pH = 9,5 szükséges.

69

IPARIVÍZ

A nehézfémek kicsapásához nátronlúg helyett alkalmazzák az olcsóbb nátriumkarbonátot, de ebből egyes esetekben a meghatározott pH beállításához nagyobb mennyiség kell. A kadmium és a cink Na2CO3-val jobban ülepedő és szűrhető csapadékot képez, mint nátronlúggal. A mész alkalmazása is szokásos különböző formáiban. Hatása hasonló a nátronlúgéhoz. Króm és cink esetében előnye, hogy az újraoldódás veszélye sokkal kisebb, viszont a keletkező iszap mennyisége lényegesen nagyobb. A kicsapáshoz szükséges vegyszer mennyiségét a 8. táblázat tartalmazza. A mérgező cianid tartalmú szennyvizeket a cianid oxidálása, a krómsav tartalmú szennyvizeket pedig a króm VI. króm III.-ra redukálása után (2,5 pH-n), majd a pH = 7,5 –re visszaállításával lehet kicsapni. 1 kg nehézfém kicsapásához szükséges vegyszer mennyiség: 8. táblázat.

Vegyszer kg NaOH Na2CO3 CaO Ca(OH)2

Nehézfémek Cu Ni 1,26 1,36 1,68 1,81 0,88 0,96 1,16 1,26

Cr 2,31 3,07 1,62 2,13

Zn 1,22 1,62 0,86 1,14

Fe (II) 1,44 1,90 1,00 1,34

Fe (III) 2,16 2,35 1,50 2,10

70 7. táblázat

IPARIVÍZ Fémionok kicsapása pH beállítással. Fémion

Oxidáció-redukció

Kicsapás

pH

vegyszer

pH

pH opt.

-

4,7 – 8,0

6,0

-

7,6 – 11

9,0

7,4 – 9,2

7,8

vegyszer Ca(OH)2 NaOH Na2CO3 Ca(OH)2 NaOH Na2CO3

6,5 – 8,5

7,5

Ca(OH)2 NaOH

6,5 → 2,8 →

8,5 3,5

* Alumínium III. Al * Cink II. Zn * Króm VI. Cr III. Vas II.

←2, 5 -

Sav NaHSO3 Na biszulfit O2; Cl2 ↓

Fe. III. Nikkel II. -

-

7,8 →

9,5

Ni Réz II.

-

-

5,8 →

7,6

Kadmium II. Cd Mangán II. Mn III.

-

8,8 → 7,5 →

9,5 8,0

Cu

Ólom II.

NaOH Na2CO3 NaOH Ca(OH)2 Na2CO3

O2; Cl2 ↓

-

-

-

-

Pb Higany II.

Ca(OH)2 NaOH Na2CO3 NaOH Na2CO3 Ca(OH)2

6,6 → 5,2 →

10,2 6, 5

NaOH Ca(OH)2 Na2CO3

Határérték mg/l Élővíz Közcsat

Oldatban mg/l

-

1,0 – 0,1

NH4 ion jelenléte előnyös

3,0 – 0,3

Cd+Ni+Al –al együtt pHopt = 8,5

-

1,0 - 5,0

2,0

0,1 –0,5

0,5

0,2 – 1,0

1,0

10 – 20

10 – 20

1,0 – 0,2

marad Megjegyzés.

Ni+Cd+Zn együtt pH opt = 8,5

1,0 – 0,1 0,5 – 1,0

1,0

3,0 - 0,2

Ni+Cd+Zn együtt pH opt = 8,5

0,5 – 2,0

2,0

1,0 – 0,3

Cu+Zn együtt pH opt = 8,5

0,005 – -0,05

0,1

3 – 0,2 3 – 0,3

Ca+Zn kicsapás Na2CO3-val jobb iszap

2-5

5,0

1,0 – 0,2

0,05 - 0,2 0,2 0,001–

0,05 -

1,5 PbCO3 1,0-

Kolloid cs FeIII- val együtt ülepíthető

71

IPARIVÍZ Hg Ón II. Sn IV. Ezüst I.

- 0,01 -

-

3,9 →

(6)

9,5 →

10,5

NaOH Ca(OH)2 NaOH Ca(OH)2

0,3 - 0,5

- 0,05 2,0

0,01 – 0,1 0,2

Kolloid cs. FeIII val együtt ülepíthető Kolloid cs. egyéb fémekkel nem ülepíthető

Ag Megjegyzés: A pH tartományt az egyéb ion szennyezések mértéke módosíthatja. Beállítás kísérlettel vagy próbaüzemmel. *Az amfoter elemek lúgos visszaoldódása kisebb mértékű Ca(OH)2 használatkor. A fémkicsapást a komplexképző anionok és szervesanyagok zavarják, A tisztított szennyvíz maradó fémszennyezettsége a csapadék (diszperzió, kolloid) eltávolítás hatásfokától is függ (ülepítés, derítés, szűrés).

72

IPARIVÍZ

A szennyvíztisztítási technológia lehet szakaszos (betározásos) vagy folyamatos (átfolyó) rendszerű (27. ábra).

28. ábra: Felületkezelő üzemek szennyvíztisztítás-technológiái I. A gazdaságos megoldást a kezelendő szennyvíz mennyisége szabja meg. A szakaszos rendszerű tisztítási technológia kis szennyvízmennyiségek esetén (2,0 m3/h alatt) mindenképpen gazdaságosabb. 10,0 m3/h szennyvízmennyiség felett pedig feltétlenül folyamatos tisztító rendszert célszerű alkalmazni. Mindkét esetben az eredményes szennyvíztisztítást különféle mérőműszerek segítik. Az átfolyó rendszerű tisztítóberendezés teljesen automatizálható. 4.2.4. Nehézfémek kinyerése ioncserével, elektrolízissel és membrán technikával

A fémion tartalmú használtvizek, kibocsátásra (élővíz, vagy közcsatorna) alkalmas minősége, gyakran nem garantálható pH beállítással, akár a kísérő szennyezések jelenléte, akár a hiánya miatt (lásd az előző pontban, 14. táblázat). Ez különösen előfordulhat az alacsony kibocsáthatósági határértékkel szereplő nehézfémek (Kadmium, Ólom, Higany, Ezüst, KrómVI és nikkel) esetén. Továbbá nagyobb hatásfokkal, biztonságosabban és nemegyszer hasznosabban alkalmazható kezelés technológia az ioncserés,az elektrolízises, vagy a membrántechnikás eljárás. Természetesen ezek a módszerek lényegesen költségesebb berendezéseket és üzemeltetést igényelnek, de üzembiztosabb és kényelmesebb az üzemvitelük. Fémionok kinyerése ioncserélő eljárással A felületkezelők szennyvizeinek tisztításánál eredményesen alkalmazhatók az ioncserélők. A kationaktív gyanták a kationok, az anionaktív gyanták az anionok megkötésére képesek, vagyis ezzel a módszerrel megoldható az oldatban lévő nehézfém ionok kinyerése.

IPARIVÍZ

73

A megkötött kation savval, az anion NaOH-val eltávolítható, azaz a gyanta regenerálható. Az ioncserélőkön tisztított fémionokat tartalmazó szennyvíz olyan tiszta, hogy akár kazántápvíz célra is újra felhasználható. Ez igen előnyös pl. a kényes és igényes fémbevonatok készítésénél, ahol a fürdőben csak fokozott tisztaságú, szélső esetben sótalanított víz, alkalmazható. Ily módon a szennyvíz tisztítása, mintegy beépül a gyártástechnológiákba. A szennyvíz ebben az esetben a regenerátum, ami mennyiséget tekintve a kezelt víz 2-6 %-a. Ez a szennyvíz azonban nyilvánvalóan lényegesen töményebb, mint az eredeti. Kezelése a kis mennyiségre tekintettel, szakaszos üzemű berendezésben végezhető. Az ioncserélő berendezés azonban nagyobb beruházást igényel, mint a kicsapásos rendszerű, bár figyelembe kell venni a tisztított jó minőségű víz értékét ís. Kis szennyvíz volumenek esetén a fajlagos költségek igen magasak.50 m3/h teljesítmény felett az ioncserélő eljárás fajlagos költségei azonban már lényegesen kedvezőbbek. Az ioncserélő tisztítás technológia, az értékes fémanyagok visszanyerése szempontjából is komoly előrelépést jelent. Az arany esetében például az ioncserélő gyantán megkötött nagy anyagmennyiség miatt regenerálás helyett a gyantát dolgozzák fel és ily módon nyerik vissza az aranyat. Az ioncserélők alkalmazásával recirkulációs technológiai rendszert mutat be a 27. ábra. Szelektív ioncserélő berendezésekkel megoldható egy-egy különösen káros vagy éppen értékes anyag külön megkötése. Ezt a módszert nem csak a recirkulációs rendszer esetén, hanem a szakaszos vagy átfolyásos tisztítási eljárás végén, utolsó tisztítási műveletként is használják a hagyományos kicsapással kellő mértékben el nem távolítható szennyezők esetében.

. 29. ábra: Fémfelület kezelő üzemek szennyvíztisztítás-technológiái II. Jól és eredményesen kombinálható az ioncserélős eljárás, a fordított ozmózis elvén működő berendezésekkel. A 28. ábra egy-egy példát mutat be az ioncserélő tehermentesítését, ill. a fémvisszanyerést szolgáló megoldásokra. Fémionok kinyerése elektrolízissel A fémion tartalmú szennyvizeket elektrolízis reaktorban mentesítik az oldott fémektől. A szennyvizet, az elektrolízis művelet előtt, semlegesíteni szükséges. A semlegesítést, mivel általában savas szennyvizeken történik, nátronlúggal végzik (pH = 6,5-7).

IPARIVÍZ

74

– A reaktor háromfázisú, 380 V-os váltóáramból átalakított, 8 – 18 V-os, 650-700 A-es egyenárammal szakaszosan működik. – Ahhoz, hogy az anód-katód elektródán ilyen nagymennyiségű elektromos áram átfolyjon, a szennyvíz elektromos vezetőképességét megfelelően magas szintre kell emelni, amit konyhasó (NaCl) oldat adagolásával biztosítanak. – Az elektródákon átfolyó elektromos áram hatására redukció (katódon) és oxidáció (anódon) lép fel kb. 15 percen át. Ez alatt a katódon folyó redukció keretében a fémionok elektront vesznek fel, így fém mikro szemcsékké válnak. – A reaktorból a kezelt szennyvíz, az alatta lévő koagulációs tartályba kerül, ahol polielektrolit adagolás segítségével, a szennyvízben lévő finom réz szemcsék és az egyéb lebegő szennyezőanyag szemcsék és kolloidok koagulálnak, majd nagy pelyhekké állnak össze. – Az így képződött zagyot, egy puffer tárolóba emelik. – A fogyó elektródák (általában vas és alumínium) féloldalas fogyásának csökkentése érdekében, szabályozott ütemben (sarzsonként) váltogatják a pólusokat. – A puffer tartályból zagyszivattyúval nyomják a fémszemcsés zagyot a zagy víztelenítőbe, ami leginkább kazettás présszűrő. A kazetták feltöltése után 4-6 bar-os préslevegővel még utópréselést végeznek Az alkalmazott víztelenítési eljárástól függően, a víztelenített iszap szárazanyag tartalma különböző értékű. A szűrőprés a fémszemcsés szűrőlepényét, 35-45 %-os szárazanyag tartalomig vízteleníti. – A kiszűrt iszapot konténerben gyűjtik és hasznosításra, vagy hulladék tárolóba veszélyes hulladékként elszállítják. A technológia műveletei: A szennyvíz semlegesítése: A kezelendő szennyvíz pH értékét 6,5 – 7,0 közé állítják be, amit a semlegesítő tartály pH mérője által vezérelt sósavadagoló szivattyú biztosít. Ez a pH szabályozás, egyúttal a csatornába bocsátott szennyvíz pH-ját is meghatározza. A szennyvíz vezetőképességének szabályozása: Az elektrolízis művelet lefolyása igen nagy áramerősséget igényel, ez az áramfelvétel azonban csak akkor lehetséges, ha az elektrolit (szennyvíz) vezetőképessége elég nagy. A vezetőképesség szabályozása a reaktorban automatikusan történik, konyhasóoldat folyamatos adagolásával, amíg a reaktor áramfelvétele, el nem éri a 650 – 700 A értéket. Tehát addig kell növelni a szennyvíz konyhasó koncentrációját, amíg a reaktor áramfelvétele a kívánt értéket el nem éri. Ezért a konyhasóoldat adagoló szivattyúját az Ampermérő vezérli. A reaktor működése: A reaktorban kombinált fizikai – kémiai folyamat zajlik. Az anód és katód között lévő elektrolitból, az elektron felesleggel bíró katódon gyülekező kationok, így a fémionok is, a katódtól elektronokat vesz át, így fémrézzé válnak. Az elektrolízis művelet során azonban a kationok nem csak az elektromos áramból töltekeznek elektronokkal, hanem a katód elektródából is, ezért az elektrolitban megjelennek az elektróda ionok és emiatt egy idő után az elektróda elfogyna, ill. egy bizonyos mértékű fogyás után az elektródát ki kell cserélni. Vagy pedig az elektróda pólusokat rendszeresen felcserélni, amivel az elektróda élettartama jelentősen megnövelhető. A reaktor szakaszos üzemű, egy sarzs teljes ideje 45-50 perc (szennyvíz semlegesítés, elektrolit sózás, reakcióidő, derítés, iszap víztelenítés). A kamrás présszűrő működése:A reaktorból kilépő rézcsapadékos szennyvíz, az alatta lévő flokkuláló tartályba ömlik. Innen a pelyhesített iszapos szennyvizet, egy

IPARIVÍZ

75

nagynyomású zagyszivattyú, a présszűrő kazettáiba nyomja, majd 4-5 bar-os préslevegővel utópréselést végeznek. A kilépő szűrlet a lebegő szennyezések túlnyomó részétől megtisztított víz. A nem ionos szennyezések azonban a szűrletben maradtak . A szűrlet sótartalma is igen magas értékű, amit a vezetőképesség megnövelése miatt szennyvízbe táplált nagy mennyiségű konyhasó okoz. A szervesanyag tartalom KOIk szintén igen nagy, de ennek túlnyomó részét a magas Cl tartalom okozza. A szennyvíz tisztító rendszer vezérlése, szabályozása: Az ellenőrzés, szabályozás és vezérlés összes eleme, egy kapcsoló szekrényben van elhelyezve. A vezérlő, szabályozó és adatgyűjtő egységek szabadon programozhatók (SPS rendszer), melyek az üzemzavart is jelzik: mutatóval, szöveggel, hang és fényjelekkel. 4.2.5. Cianid tartalmú szennyvizek tisztítása

Felület kezelés során gyakran alkalmaznak ciános fürdőket, de ugyanott savas fürdők is léteznek. A kétféle szennyvíz keveredéséből életveszélyes ciánhidrogén gáz keletkezik amit gondosan el kell kerülni. NaCN + HCl = NaCl + HCN A cianid lebontását ma már leginkább nátrium-hipokloritos (NaOCl), vagy klórgázos oxidációval végzik: A lebontás első fázisa NaCN + NaOCl + H 2O = CNCl + 2 NaOH A keletkező klórcián igen veszélyes mérges gáz formában kilép az oldatból,ha ez a művelet nem igen magas pH (10-10,5) környezetben történik, amikor a hidrolízise CNCl + 2 NaOH = NaCNO + NaCl + H 2O során cianát (CNO) képződik (második fázis). Ami végbe megy: -10 pH-nál 4 h alatt ( szükséges 3 mol Cl2 / 1 mol CN). - 11 pH-nál 1 h alatt ( szükséges 1 mol Cl2 / 1 mol CN) -12 pH-nál 2-10’között (szükséges 0,1– 0,5mol Cl2 / 1 mol CN) -10 –10,5 pH–nál 1g CN lebontásához 3 g OCl szükséges.(Na CN esetén 5 mol Cl2 / 1 mol CN)

A keletkező cianátot tovább oxidálva (harmadik fázis): 2 NaCNO + 3 NaOCl + H 2O = 2 NaOH + 3 NaCl + 2CO2 ^ + N 2 ^ a cianát CO2-re és N2-re bomlik, ami gáz fázisban távozik. A harmadik fázist új tartályban (medencében) kell lefolytatni. Az átemelést azonban csak akkor szabad végre hajtani, ha minden klórcián biztosan hidrolizált cianáttá.

A harmadik fázisban az oldat pH értéke csökkenhet már a savas tartományba is. A harmadik reakciófázist pH < 9 érték alatt célszerű végezni, mert akkor rövidebb idő alatt és kevesebb Cl2 – vel lehet a cianátot (CNO- t ) lebontani. - 8,5 pH – nál, 15 % Cl2 fölösleggel, 60’ alatt, - 7,0 pH – nál, 10 % Cl2 fölösleggel, 30’ alatt, - 4,0 pH – nál, 0 % Cl2 fölösleggel, 8 – 15’ alatt zajlik le.

76

IPARIVÍZ

Cián komplexek esetén [(KCN, Cd (CN)4, Zn (CN)4, Ni (CN)4, Fe (CN)6] a Cl2 igény megnő. Egy medencés reaktor esetén a művelet hypo igénye 5 mol Cl2/mol CN.A cianid lebontása után lehet a szennyvíz fémion-mentesítését elkezdeni. Cianid lebontás elektrolízissel: Az anódon keletkező naszcensz oxigén a cianidot gyorsan eloxidálja és a szennyvízből az szintén N2 és CO2 formában távozik. A galvanizálók ciános szennyvizeiből csak a cián mentesítése után lehet a fémionok kinyerését elkezdeni. 4.2.6. Fémszemcsével szennyezett iszapok kezelése és elhelyezése

A szennyvízből a kicsapott csapadékból képződő iszapot elvezetés előtt ki kell nyerni. A fémhidroxid iszap kezelésének fő problémája, hogy az tömörödésre nem hajlamos. A keletkező fémhidroxid iszap 98 – 99 % víztartalmú. 2 órás ülepítés után az iszap mennyisége 25-75 ml/l. Az eredetileg ugyanannak az iszapnak, a különböző mértékű víztelenítés utáni térfogata az alábbi: 99 % víztartalmú iszap 100,0 l 98 % 50,0 l 75 % 4,0 l 50 % 2,0 l Az adatokból nyilvánvaló, hogy az iszapelhelyezés mikéntjét döntő mértékben befolyásolja a víztartalma, hiszen nagyságrendileg kisebb térfogatú iszap elhelyezésével kell foglalkozni, ha sikerül lényegesen csökkenteni az iszap víztartalmát. Tehát az iszapkezelés elsődleges célja a víztartalom csökkentése. Az iszapkezelés módszerei: • Ülepítés: Hagyományos, még ma is alkalmazott megoldás. Nagy helyigényű. 4-5 órás tartózkodási időt vesznek számításba. Max. 3-6 % szilárdanyag tartalmat lehet elérni. (97-94 % víztartalom). • Szűrés: Korszerű gépi szűrőket alkalmaznak. Vákuumszűrővel 20-30 % szilárdanyag tartalomig, szűrőpréssel 45-50 % szilárdanyag tartalomig lehet vízteleníteni. Jelenleg a külföldi gyakorlatban leginkább a szűrőprés különböző fajtáit lehet megtalálni. Elhelyezés: A még mindig jelentős mennyiségű és az újraoldódás veszélyét magában hordozó iszap környezetvédelmi szempontból is megfelelő elhelyezésére jelenleg kiforrott gyakorlat nincsen.

IPARIVÍZ

77

A főbb megoldások: Lerakóba ömlesztve, esetleg zsákokban. A hányón a felszíni vizek elvezetését, az újraoldódás és beszivárgás megakadályozását biztosítani kell. Van példa, mely szerint a méregtemető telítődése után injektálással elkövesítik, talajjal betakarják, és növényzettel betelepítik. Elkövesítés cement vagy gipsz felhasználásával. Az így keletkező anyag hasznosítása azonban még nem megoldott. Bepárlás, Izzítás a teljes kikristályosodásig és oldhatatlanná tétel. A kérdés megnyugtató megoldása nagymértékben anyagi kérdés. A lerakóknak (méregtemetőknek) a környezetvédelmi érdekeknek megfelelő kialakítása, elkövesítés esetén a tetemes cement vagy gipsz mennyiség, bepárlásnál a hatalmas hőszükséglet mind költségnövelő tényezők. A teljes anyagvisszanyerés, megfelelő anyagtisztítással pedig, ma még, legtöbb esetben nem gazdaságos, bár környezetvédelmi szempontból ez a megoldás. 4.2.7.Olajos, zsíros szennyvizek tisztítása Az olajszennyezés a vízben lehet

-

cseppek alakjában [(200) 500 μm felett] emulzió (kolloid méretű részecskék) alakjában [1-200 μm] mindkettő egyszerre oldatban [1 μm alatt]

Az olajos szennyvizek tisztítása történhet

mechanikai fizikai-kémiai biológiai eljárásokkal. A biológiai olajbontást általában nem az olajos szennyvizet kibocsátó üzem végzi. Ez inkább biológiai tisztítást végző központi szennyvíztisztító telepen történik. Az olajos szennyvizek olyan mértékű tisztítása szükséges az üzemben, hogy a tisztítás után elfolyó víz - visszaforgatható legyen (víztakarékos technológia!), vagy - közcsatornába vezethető legyen (40-60 mg/l alatt), - élővizekbe vezethető legyen (2-10 mg/l alatt). Mechanikai eljárás (olajfogók) alkalmazható az ülepíthető, felúsztatható, és flotálással eltávolítható olajok, zsírok és szilárd finom lebegő anyagok bizonyos mértékű kinyerése esetén. A gravitációs olajfogókban, - az ülepítéssel analóg módon – a víznél kisebb sűrűségű szemcsék felúsznak, a nagyobb sűrűségű szemcsék kiülepednek. Az olajos, zsíros szennyvizek általában szilárd lebegő szennyezéseket is tartalmaznak, melyekre az olaj rátapad, ezért az eltávolításukat leginkább együtt végzik. A nagyobb sűrűségű szemcsék olaj szemcsékkel együtt történő eltávolítását leginkább flotálással biztosítják. A szennyvizekben lévő olaj szemcsék a víz turbulens áramlása, valamint szivattyúzása miatt aprítódnak, míg olyan finom diszperzió lesz (természetes emulzió) amit

IPARIVÍZ

78

gravitációs úton nem lehet kinyerni. Ugyanezt eredményezik a különböző emulgáló szerek is pl. a mosószerek (stabil emulzió). Az emulgált olajokat, zsírokat csak emulzióbontás után lehet eltávolítani. Emulzióbontás A mechanikai (fizikai) eljárásokkal a kolloid méretű (10-2 – 10-4 mm) olajemulziók nem távolíthatók el a szennyvízből. Ez mindenképpen a fajsúlykülönbségen alapuló eljárások korlátjait jelenti, de az emulgeált olaj eltávolítására a szűrés sem elég hatásos. Az emulzió (kolloid oldat) bontása pelyhesítő szerrel történhet. A két- vagy háromértékű fémionok, a részecskék negatív felületi feszültségét (zeta-potenciál) csökkentik és így azok a taszítóerőket legyőzve nagyobb pelyhekké – flokkokká tudnak összetapadni. A kialakuló pelyhek aztán a kolloid olajcseppeket adszorbeálják is. A flokkulálószer lehet alumínium, vagy vassó (Al2(SO4)3, FeSO4), vagy szintetikus polielektrolit, amely maga is egy hidrolizált polimer. (Sedipur, flokkonit, stb.). A pelyhek ülepítése azonban igen nagy időt – és így medencetérfogatot igényelne, ülepítés helyett ezért az olajos szennyvizek tisztításában célszerű felúsztatást, flotálást alkalmazni. Ez mindjárt a vegyszeradagolás korlátja is: nem célszerű a pelyheket elnehezíteni, azaz sok pelyhesítő szert adagolni. Felúsztatás - Flotálás: A víz és szennyvízkezelési technológiákban a víznél kisebb sűrűségű diszperziók, a víznél nagyobb sűrűségű (közepes nehéz) diszperz szennyezések, a pelyhesedő lebegőanyagok, de főként a felsorolt szennyezőanyagok keverékéből álló lebegőanyagok felúsztatására alkalmazzák a levegővel vagy egyéb gázzal működő flotációt. A kezelendő vízbe, ha légnemű anyagot (levegőt) befújunk, a levegő buborékokra aprítódik, ami bizonyos fizikai feltételek mellett a vízben lévő szilárd részecskékkel összekapcsolódik. Amikor a levegő – szilárd (vagy vízzel nem elegyedő folyékony) részecske aggregátumra ható felhajtó erő nagyobb lesz, mint az aggregátum súlya, a részecske a víz felszínére úszik. A felúszás feltétele: d l3π d 3π ( ρ f − ρ l ) f sz ( ρ sz − ρ f ) 6 6 ahol: 273,1 ⎛ pb − 0,3783 p g ⎞ ⎜ ⎟⎟[g l ] ρ1 = 1,2929 T ⎜⎝ 760 ⎠ d1 = a levegő-buborék átmérője, dsz = a szemcse átmérője ρf = a folyadék sűrűsége ρl = a levegő sűrűsége ρsz = a szemcse sűrűsége T = abszolút hőmérséklet (°C), pb = a barometrikus nyomás (Hgmm) pg = a nedves levegő gőznyomása (Hgmm) A levegő (gáz) buborékok és a lebegő részecske összekapcsolódásának mértékét meghatározó tapadó erő függ a felületi feszültségtől és a (θ) nedvesedési szögtől. (29. ábra)

79

IPARIVÍZ

30. ábra: A gázbuborék és a szemcse kapcsolódása (Ciborowski) A kétfázisú aggregátum stabil összekapcsolódásának feltétele: d sz3 π ( ρ sz − ρ f ) g p d kπσ 6 dk = a szemcse és buborék (két gömb) érintkezési kerületének átmérője, σ = a felületi feszültség Tehát minél nagyobb a nedvesedési szög (annál kisebb a nedvesedés mértéke), annál nagyobb területen hat a felületi feszültség, és annál stabilabb a két gömb kapcsolata. A felúszás sebessége – a Boyle-Mariotte gáz törvény érvényességét feltételezve, valamint a Stokes-törvény alapján – változó: dh W= = kd 2 dt Ebből a felúszási idő – az integrálást elvégezve: (h05 / 3 − h 5 / 3 )ν t = 10,8 2/3 ⎛ ⎞⎛ Patm ⎞ 2 ⎜ ρ sz ⎟ ⎟ gd 0 − 1 ⎜⎜ h0 + ⎜ρ ⎟⎝ ρg ⎟⎠ ⎝ f ⎠ h0 = a szemcse + buborék induló mélysége, h = az agglomerátum helye a vizsgált mélységben, υ = a folyadék kinematikai viszkozitása d0 = az agglomerátum szemcse átmérője az indulási ponton, ρsz = a szemcse sűrűsége ρf = a folyadék sűrűsége. A szemcse átlagos felúszási sebessége: h t A flotálási technológiákban több eljárást fejlesztettek ki: Légbefúvásos flotálás, a) W=

IPARIVÍZ

b) c)

80

Nyomás alatt beoldott levegős eljárás, Elektroflotálás

A flotálás hatékonysága függ a kezelendő szuszpenzió összetételétől, a mikrobuborékok keltési módjától és elosztásától, a keltett buborékok méreteitől. a) A légbefúvásos flotálás hatékonysága csak töredéke a másik kettőnek. Ennek oka, hogy a levegőbuborék méreteket nem lehet sem porózus elosztó fenékkel, sem turbinás aprítóval olyan kicsire alakítani, ami a szuszpenzió részecskéit felúsztatná. Ugyanis az optimális buborék átmérő 25-100 μm. Ennek a felszálló sebessége 1-3 m/s. A légbefúvásnál pedig a buborék méret több mm átmérőjű, aminek a felszálló sebessége 10-20-szor nagyobb. A nagy sebesség miatt ill. a nagy felhajtóerő miatt a felületi feszültségből származó szemcse és buborék közötti tapadó erő lényegesen kisebb a felhajtóerőnél, tehát a légbuborék a lebegőanyag részecskéről leszakad, még ha az ütközés meg is történik. Általános szabály, hogy a légbuborék mérete lehetőleg kisebb vagy maximum egyenlő lehet, mint a felúsztatandó részecskéé, valamint, hogy a részecske felhajtóereje ne legyen nagyobb a légbuborékénál. - A légbefúvásos flotálás levegő igénye a b) eljárásnak többszöröse, mert egy Ø 2 mmes buborék annyi levegőt tartalmaz, mint 64.000 db 50 μm-es. Nem is szólva a flotációs medence vízterében a felúsztató erők erőterének egyöntetűségéről, a homogén levegő diszperzióról, ami a légbefúvásos flotálásnál sohasem érhető el. Ezzel szemben igen gyakori, ha pelyhesedő lebegőanyagot flotálnak, hogy a nagy sebességű légbuborékok a nagyobb pelyheket felaprítják, ami a hatásfokot lerontja. b) A nyomás alatt beoldott levegős flotálás lényege, hogy a kezelendő víz 20 – 30 %-át egy nyomástartó tartályban 3-5 bar nyomás alá helyezik, ahol az adott nyomáson levegővel telítik azt (kb. 50 %-os fölös levegővel). A tartályban a víz tartózkodási ideje 1-3 perc. Utána nyomáscsökkentőn át bevezetik a flotáló medence aljába, egyenletesen elosztva. A vízben oldott levegő az expanzió során mikrobuborékok formájában felszabadul és a víztérben a felszálló buborékok homogén diszperziót képeznek. A nyomás alá helyezendő vizet általában nem a nyersvízből, hanem a kezeltvízből recirkulációval nyerik. A víz felszínére felúsztatott lebegőanyagot terelőlapos kotróval lefölözik. A fajlagos levegő felhasználás mértéke 15÷50 Ndm3/m3 kezelendő vízre, ami függ a víz összetételétől, a lebegőanyag sűrűségtől, a koncentrációjától, valamint a lebegőanyag szerkezetétől (szemcsés, pelyhes). A korszerű flotációs medence felületi terhelése: Q/F = 4÷12 m/h. Tehát a lebegőanyaglevegő aggregátum átlagos felszálló sebessége w = 1,1 ÷ 3,3 mm/s. A flotálással elérhető 80-90 %-os lebegőanyag koncentráció csökkenés, de a jelentős mennyiségű betáplált levegő hatására (levegőztetés) a szervesanyagok egy része oxidálódik is. c) Az elektroflotáló egyenáramú elektródákkal a vizet hidrogén és oxigén gázra bontja, ami mikrobuborékok formájában úsznak fel a vízben, és a lebegő szemcséket, pelyheket a felszínre emelik.

IPARIVÍZ

81

Az elektroflotálást magas energia költsége miatt csak speciális esetben, ritkán alkalmazzák. Egyébként a tisztítási hatásfoka a legjobbnak mondható. A flotálás tehát gyakorlatilag mindig emulzióbontással is párosul. Az emulzióbontásos flotáció üzemi paraméterei mindenkor a kezelt szennyvíztől függnek, irányértékként elfogadható. levegőigény: Qlevegő = 2 - 3 Qvíz vegyszer: Al2(SO4)3: 15 - 40 [mg/l] polielektrolit: 0,5 - 1,0 [mg/l] üzemi nyomás: 150 - 200 [kPa] A flotálással (emulzióbontással) elérhető tisztítási hatásfok: η = 70 - 90 % A 150-200 mikronnál kisebb olajcseppeket az egyszerű gravitációs olajfogókkal egyáltalán nem, vagy gazdaságosan nem lehet felúsztatni. A kolloid méretű olajcseppek (emulzió 10-2 – 10-4 mm) pedig csak emulzióbontás után távolíthatók el. A finom olaj diszperzió szemcséit tehát finom gázbuborékokhoz kell adszorbeáltatni, ami a szennyező szemcsét gyorsan a víz felszínére emeli. Az olaj flotálás lehet benyomott sűrített levegős (0,2 m3 levegő/m3 víz – 20 perc tartózkodás), nyomás alatt beoldott levegős, vákuumos, elektroflotációs (az elektródokon H2 és O2 mikro buborék kiválás). Az optimális buborék átmérő. 50-100 μm. Szűrés Az ülepítés-felúsztatás, flotálás után további elfolyó vízminőség javulása várható az olajos szennyvíz szűrésétől. Az olajos szennyvizek szűrése esetén, a szűrőben végbemenő szokásos anyageltávolítási folyamatok közül a felületen való megkötődést, az adszorpciót kell kiemelni. Az olajos szennyvizek szűrése történhet: homok, szén, koksz, antracit, salak, faforgács, perlit, műanyaghab stb. szűrőkön Valamennyi esetben problémát jelent a szűrőközeg regenerálása, tisztítása. Ezért gyakran előnyben részesítik az eldobható – különösképp a kiszűrt olajjal együtt elégethető szűrőket (szén, koksz, műanyag, faforgács). A cserélhető szűrőbetéteket általában az olajfogó vagy flotáló medence elfolyási oldalába – gyakran vízszintes átfolyású szűrőként építik be. Az öblítési nehézségek ellenére alkalmaznak gyors homokszűrőt is. Lehet nyitott vagy zárt szűrő. Üzemük a víztisztításban szokásos gyorsszűrőkéhez hasonló, de öblítésük általában melegvízzel (gőzzel) időnként mosószeres melegvízzel történik. A klasszikus homokszűrőkkel elérhető tisztítási hatásfok: η = 80 - 95 %. Gondot okoz azonban a szűrőmosóvíz tisztítás, ezért ma már kevésbé alkalmazzák. A kisebb olaj koncentrációjú, természetes emulzióban lévő olajszennyezések kinyerését elősegítő, átfolyó cseppesítő szitaszűrő rétegsort alkalmazzák, az olajfogók előtt. A finom emulzió ugyanis nem úszik fel az olajfogóban, de a műtárgy elé beépített cseppesítő szűrőn az emulgált olajrészecskék feltapadnak és csak akkor szakadnak le a szűrőről, amikor már az olajfogóban felúszni képes olajcseppé nőtt.

IPARIVÍZ

82

Membrán szűrők az olajfogásban A vákuummal működő membrán ultraszűrőkkel, mind nemzetközi, mind hazai relációban (ZenoGem technológia.) igen jó eredményeket értek el az olajos szennyvizek tisztításában (összes zsír, olaj – 4-10 mg/l re csökkenés). A membrán technológia alkalmazása jól bevált az olajos szennyvizek kommunális szennyvizekkel történő együtt kezelése esetén is. Az olajos szennyvíz tisztítás-technológiákkal elérhető eredmények: Olajfogás: Ebben az esetben csupán olajfogó (ülepítő) műtárgyat építenek. A gyakorlatban egyre ritkábban elegendő az így elérhető tisztítási eredmény, általában még a közcsatornára előírt határértéknek sem felel meg. Olajfogás + flotálás: Olajfogással és emulzióbontásos flotálással a közcsatornába vezetés határértéke legtöbbször betartható. Nyers-olajok esetén, ezzel az eljárással, esetleg az élővízi határérték is (III-VI. vízminőségvédelmi kategóriában.) elérhető. Olajfogás + flotálás + gyorsszűrés (emulzióbontással): Ha a befogadó I-II. vízminőségvédelmi kategóriájú élővíz, vagy a technológia teljes vízvisszaforgatást alkalmaz, akkor szükség lehet a gyorsszűrésre is. Olajfogók lefölözése: A lefölözéshez (Mataszorb, Ekoszorb, stb.) lefölöző paplanokat (olaj felszívó, hidrofób anyag), használnak. Mérete általában: 6 mm vastag, 90x90 cm – es paplan. Ezt az eljárást leginkább a közlekedési és egyéb gépszervíz üzemek alkalmazzák, ahol a gépek, berendezések olajos felületeinek mosása során keletkezett olajos szennyvizek olajfogóiban felúszott olajat fölözik le vele. Amikor az olajszívó paplan megtelt olajjal, kiemelik, centrifugában az olajat belőle kinyerik és a paplan újra használható. Az olajemulziók keletkezése: Az üzemekben az olaj, legtöbbször különböző mosási eljárások útján kerül a vízbe. Durva mosó: a nagynyomású Kārcher mosók. Finom mosó: a 60 – 70 oC – os, mosószeres ( INNOPON, RÁBA, PM stb.)vízzel, kisnyomáson mosó gépek. A nagynyomású mosók és az átemelő szivattyúk az olajcseppekből természetes olajemulziót, a mosószeres mosók pedig stabil emulziót képeznek, így az olajfogóban az olajszennyezés jelentős része csak emulzióbontás után hajlandó felúszni. 4.2.8. Radioaktív szennyvizek kezelése

A legjelentősebb radioaktív vízszennyezési lehetőség az atomerőművekben lehet. A reaktorban lévő neutron fluxus hatására az urán atomok széthasadnak és keletkeznek belőlük az un. hasadványok (90Sr, 137Cs, 131I stb. sugárzó izotópok) amik a primerköri vízben egyre dúsulnak. Ezért ettől és a reaktorban lévő fém alkatrészek korróziós termékeitől, amik szintén radioizotópokká váltak, részáramban meg kell szabadulni, az aktívzóna aktivitásának csökkentése érdekében.

IPARIVÍZ

83

Ugyancsak nagy mennyiségben tartalmaznak hasadványokat és korróziós termékeket a kiégett fűtőelem pihentetők vizei, amit szintén dezaktíválni szükséges. További radioaktív izotópokkal szennyezett vizek keletkeznek az aktívzóna felmosásakor és az aktívzónában dolgozók ruházatának mosásakor, csak ezek az előbbieknél lényegesen kisebb aktivitásúak. A radioaktív szennyvizek tisztítása (desaktíválása) a vízben lévő radioizotópok kinyerésével történik. Az eddigi gyakorlat szerint ezt kétféle módon végzik: bepárlással és ioncserés technológiával. A bepárlást a nagy aktivitású vizekre alkalmazzák és a sűrítményt folyékony hulladékként tárolják, vagy cementálják, esetleg bitumenbe ágyazzák. A kondenzátumot, mivel a gőzök izotópokat hordanak ki, ioncserélőre viszik. A kis aktivitású szennyvizeket ioncserélővel mentesítik a radioizotópoktól. A kimerített ioncserélő gyantát izotóp temetőbe viszik. Felmerül a víz (H2O) ionok izotóppá válásának problémája a neutron fluxusban: Az oxigén izotópjának fizikai felezési ideje néhány másodperc, tehát nagyon gyorsan lefeleződik. A hidrogén izotópja a trícium (3H), ami bepárlásnál elpárolog, de ioncserénél megmarad,így nem távolítható el a kis aktivitású szennyvízből, ahol ennek mennyisége viszont nem jelentős. (A trícium effektív felezési ideje: 12 nap.) Radioaktív szennyvíz keletkezhet ott ahol az izotóp mint munkaeszköz szerepel, vagy izotópot szállítanak, ill. tárolnak, ha ott elszóródik és azt felmossák, aminek szerepe nem jelentős, ahol az alkalmazandó eljárás az ioncserés kinyerés. 5. AZ IPARI VIZESHŰTŐK ÉS A VÍZ VISSZAHŰTÉSE

5.1. Az ipar hűtési feladatai Az ipar hűtési feladatai, a hűtendő közegek szerint két fő csoportra oszthatók. termékek hűtése, szerkezeti elemek hűtése. 5.1.1. Termékek hűtése:

A hűtendő ipari termékek halmazállapotuk szerint lehetnek. gőzök és gázok, folyadékok, szilárd anyagok. A gőzök hűtésének célja elsősorban a cseppfolyós halmazállapot elérése. Pl. a hőerőművek gőzturbináiból távozó fáradt gőz lecsapatása a kondenzátorban (hőcserélőben), ahol a vízzel elvezetendő hőmennyiség – ami a kondenzátorban a hűtés miatt kialakuló vákuumtól függően átlagos esetben kereken 2.300 kJ/kg gőz értékkel számolunk. A nyersolaj frakcionális desztillációjakor pedig 400-800 kJ/kg - termék a hűtővízzel távozó hőmennyiség. Gázok hűtésére a vegyiparban és több iparágban, a gázok komprimálásakor van szükség. Folyadékok hűtése (savak, lúgok és számos egyéb vegyi anyag) gyakori feladat a vegyipar csaknem minden ágában. Az olajfeldolgozó ipar összes kondenzált olajszármazékai hűtésre szorulnak. Ugyancsak jelentős folyadékhűtési igény jelentkezik az élelmiszeripari termékek gyártásakor.

IPARIVÍZ

84

Folyadékhűtési folyamat a különféle hűtőfolyadékok hűtése is (hűtőolajok, mélyhűtő folyadékok, stb.) bár ezek, ebben az esetben, nem mint termék szerepel, csupán segédanyag. Szilárd termékek hűtése szintén több iparágban szükséges (a kohászat összes félkész és készterméke, a vegyipar kokszhűtése, a gépipar megmunkált alkatrészei, az építőanyagipar termékei stb.). 5.1.2. Berendezések, szerkezetek hűtése:

A különböző ipari szerkezetek és elemek hűtése tulajdonképpen a szilárd termékek hűtésének fogalomkörébe sorolható. Az új kategóriába sorolást egyrészt a hűtés célja, másrészt a hűtés módjának és berendezéseinek, hűtőelemeinek más (hűtőtáskák, hűtőszekrények, hűtőüregek, hűtőspirálok stb.) kialakítása indokolja. A magas hőmérsékleten működő technológiai folyamatok létesítményeit, szerelvényeit a hő okozta károsodásoktól hűtéssel védik (pl. a nagyolvasztók, acélműi kemencék falának, szerelvényeinek hűtése). A kompresszió folyamán keletkezett hő eltávolítása, egyrészt a komprimált termék adott hőfokon tartása miatt, másrészt a kompresszorok és szerelvényeinek hő elleni védelme céljából szükséges (pl. a vegyipar számos technológiájában, a hűtőiparban stb.) A nagyméretű forgó gépek, berendezések, csapágyaiban keletkező súrlódási hő elvezetése, a csapágyak szilárdsági tényezőinek adott szinten tartása céljából feltétlenül szükséges a hűtés. Különösen szükséges ez, ha a csapágyakat sugárzás, vezetés vagy átadás útján még további külső hőhatás is éri (pl. a kohászati meleghengersorok, az erőműi turbinák tengelycsapágyai stb.). Ugyancsak hűtés szükséges a nagy teljesítményű villamosgépek elektromos veszteségekből származó hőmennyiségek és a villamos motorokban, generátorokban jelentkező súrlódási hő eltávolítására. A különböző technológiákban gyakran előfordul, hogy a berendezés hűtése esetén egyidejűleg a termék hűtését is elvégzik vagy fordítva. Az iparban jelentkező hűtési feladatoknak jelenleg mintegy 90 %-át vízzel, további 10 %-át levegővel, gázzal és egyéb hűtőanyaggal végzik. Az utóbbi időben egyre jelentősebb tért hódít a hűtési technológiákban a léghűtés. Ez a megoldás elsősorban a vízben szegény területeken valamint ott jelentős (lemezbordás hűtőelemek), ahol elfogadható a magasabb hőfokon folyó hűtés és a magasabb beruházási költsége.. Ugyancsak fokozott mértékben alkalmazzák a nagy hőterhelésű elemeknél, az elgőzölögtető hűtést, ami a magasabb létesítési költségek ellenére – a gőztermelés miatt – igen gazdaságos hűtési eljárásnak tekinthető. Az ipari hűtések keretében hazánkban a különböző ipari technológiákból vízzel elszállított hulladékhő mennyisége mintegy 85 TWh/év. Ennek a hatalmas hőmennyiségnek azonban csak töredék részét hasznosítják. A hatalmas elvesző hőmennyiségeket és az elszállításra fordított óriási munkamennyiséget tekintve jelentős ráfordításokat igényelnek, tehát, hogy a hűtés a lehető legkisebb ráfordítással legyen megoldható, törekedni kell a hulladékhő minél nagyobb részének hasznosítására. 5.2. Alkalmazott hűtési eljárások A hűtendő és hűtőanyagok között a hőcsere lehet: közvetlen, amikor a két anyag érintkezik egymással,

IPARIVÍZ

85

-

közvetett, amikor a két anyag közé egy harmadik anyagot (hűtőelem fala) iktatnak. Az első megoldást általában a szilárd termékek és berendezések hűtése esetén a másodikat pedig túlnyomóan a gőzök, gázok és folyadékok hűtésekor használják. Lehetséges a hűtővízzel közvetlenül a hűtendő anyagot, illetve berendezést vagy csak az azt hűtő valamilyen hőközlő folyadékot vagy légnemű anyagot hűteni. Ennek megfelelően beszélhetünk elsődleges (primer) és másodlagos (secunder) hűtésről. Attól függően, hogy a hűtés nyitott, vagy zárt (nyomás alatti) elemekben történik, beszélhetünk nyitott vagy zárt vizes hűtésről. Nyitott vizes hűtés esetén a hűtés nyitott, szabad vízfelszín mellett történik. Tehát a hűtendő szilárd, folyékony, ill. gáznemű anyagot tartalmazó zárt tér (edény, csőkígyó stb.) a vízbe merül vagy a vizet a felületére permetezik, ill. folyatják. A nyitott hűtők csoportjába tartoznak a felületre permetező, csörgedező, gáz- vagy gőzellenáramba permetező, keverő, merülő stb. hűtők. A zárt vizes hűtésnél a hűtővíz kisebb-nagyobb nyomás alatt, zárt térben (hűtőelemben) végzi a hűtést. A víz legtöbbször a hűtőelem falát hűti, ahol a hőközlés egy vagy több irányból történik. A folyadékok és gázok zárt hűtése csaknem minden esetben közvetett hűtéssel történik. 5.3. A vizes hűtőelemek A hűtőelemekben történik a hűtendő anyagok elvezetendő hőjének átadása a hűtővíz részére. A hűtés hatékonysága nagymértékben függ a hűtőelemek hőtechnikai és hidraulikai kialakításától. A hűtőelemeket tehát továbbiakban ezzel a szemlélettel vizsgáljuk. 5.3.1. Gőzök, gázok és folyadékok hűtőelemei

Az itt alkalmazott elemek: zárt felületi hűtők, nyitott felületi hűtők, keverőhűtők. Zárt, felületi hűtőelemek A hűtővíz zárt, a hűtendő anyagtól elkülönített térben áramlik. Az ide sorolható hűtőelemek: a csőköteges, több járatú kondenzátorok, hőcserélők, a csőkígyós és csőspirálos, köpenyes, lamellás, lemezes stb. hűtők, a kettős vagy hármas falú csöves hűtők, lemezbordás léghűtők. A hűtendő anyag a hőjét a hűtőelem falán keresztül bocsátva adja át a hűtővíznek. A hőátadás annál eredményesebb, minél nagyobb felületen érintkezik mindkét anyag a hűtőelem falával. A hűtött anyag hőfoka azonban egy Δt értékkel mindig magasabb a hűtővízénél. Ezt a Δt értéket nevezik a hűtésben hőfokrésnek. Nyitott, felületi hűtőelemek:

IPARIVÍZ

86

Ebben az esetében a hűtővíz nyitott térben áramlik, vagy hűtőelem falán szabadon folyik. A hűtendő anyag zárt térben áramlik. Ebbe a csoportba sorolhatók: a csörgedező csőkígyós hűtők, a csörgedező csőköteges hűtők, a merülőkondezátoros és az egyéb merülőhűtők. Keverőhűtők: A hűtött gőzök, gázok vagy folyadékok közvetlen érintkezésbe kerülnek, a hűtővízzel. Előnyük, hogy elmarad a hűtőelem hőellenállása, az ún. hőfokrés. Ebbe a hűtőelemcsoportba sorolhatók: az ellenáramú permetező gázhűtők, a keverőkondenzátorok, egyéb folyadékkeverő hűtők. 5.3.2. Szilárd termékek és szerkezetek hűtőelemei

A szilárd termékek és a nagy hőhatásoktól megóvandó szerkezetek külső felületeinek hűtéséhez alkalmazzák a permetező hűtőket, a csörgedező köpenyhűtőket és a bemerítő hűtőket. A permetező hűtők: A hűtendő anyagra vékony sugárnyalábban hűtővizet permeteznek, a víz a hűtendő felületen vékony rétegben végigfolyik, és az elszállítandó hőt felületi hőátadással és elpárologtatással elvonja. A permethűtők a víz szennyezettségére és karbonát tartalmára nem érzékenyek. A hűtővíz minőségi igényét a szórófejek és a vezeték elrakódásának elkerülése határozza meg. A külső csörgedező köpenyhűtők: A hűtővizet vékony összefüggő rétegben (vízlepel) a hűtendő felületre bocsátják, és az érintkező felületen az elszállítandó hőt a hűtővíz átveszi, a szerkezet külső felületét hűtve. A hőátadás módja és a víz minőségével szemben támasztott követelmények ugyanazok, mint a permethűtőknél. A hűtés kedvező hatásfokának elérése céljából fontos, hogy a hűtendő egész felületre a vizet egyenletesen és minél vékonyabb rétegben elosszák. Bemerítő hűtők: Ebben az esetben a hűtendő anyagokat egy nyitott és hűtővízzel telt medencébe vagy kádba merítik, majd a lehűlt anyagot, bizonyos idő után kiemelik. A hűtés itt is közvetlen, felületi hőátadással történik. A vízminőségre ez a hűtő sem érzékeny. Ezt a hűtési módot általában csak szilárd termékek vagy szerszámok hűtésére használják. 5.3.3. Belső zárt hűtőelemek: Ezt elsősorban a szerkezeteknek, gépeknek a káros hőtől való megóvására alkalmazzák. Ebben a csoportban a leggyakrabban alkalmazott hűtőelemek: a szekrény- és táskahűtők, a kettős falú és az üregelt szerkezethűtők, a beépített csöves és csőkígyós hűtők, az előgőzölögtető hűtők. -

IPARIVÍZ

87

Szekrény- és táskahűtők: A kemencék, kohók, falazatainak hűtésére alkalmazzák. A hűtőelemeket a falazatba, egymástól bizonyos távolságra falazzák be. A szekrény- és táskahűtők mind a hőátadás, mind a hidraulika szempontjából, a legkedvezőtlenebb rendszerű hűtőelemek. A tápvezetéken érkező hűtővíz átlagsebessége ugyanis a hűtőelemekben 10-20 cm/s-ra csökken. Több helyen viszont (a zugokban) még ennél is kevesebb, vagy éppen stagnál. A víz tehát itt hordalékát lerakja és – különösen a nagy hőterhelések esetén – túlmelegszik, a vízkő a falon kicsapódik és a leülepedett hordalékkal együtt a falra ég, ami gátolja a hőátadást. Ezek a hűtőelemek nagy hőterheléseknél rövid idő alatt tönkremennek, kiégnek. Élettartamukat csak nagymértékben lágyított (3-4 nk°) és megtisztított (2-5 mg/l lebegőanyag-tartalom) vízzel lehet megnövelni. Az ilyen nagymértékű vízkezelésnek viszont általában költséges és gazdaságtalan vízellátás a következménye. Kettős falú és üregelt szerkezethűtők: A nagy fordulatszámú gépek csapágyainak köpenyét és más gépek felmelegedő alkatrészeit kettős falú hűtőkkel, illetve az elemekbe öntött hűtőüregek segítségével hűtik, amelyekben hűtővizet áramoltatnak és a káros hőt így elvezetik. Ezekre a hűtőelemekre is vonatkoznak a szekrény- és táskahűtőkről elmondottak. Bizonyos mértékig azonban még kényesebbek, mivel a táskahűtők kiszerelhetők, kibonthatók az üregek viszont a gépek alkatrészeinek tartozékai, így nem távolíthatók el. Hozzá nem férhetők, tisztításuk csak nehézkesen öblítéssel, savas mosással, átfúvással lehetséges, ha ez ér valamit. Hidraulikailag sokkal egyszerűbb megoldás ilyen helyeken is a beöntött csőkígyók, azonban ennek gyakran konstrukciós nehézségei vannak. Falba épített hűtőcsövek és csőkígyók: A nagy hőterhelésű öntöttvas és öntöttacél szerkezetek falainak élettartamát növeli, a nagy hőhatásoktól, felmelegedésektől védi, a beépített csövekben áramoltatott hűtővíz, a szerkezet falát lehűtve. A csőben áramló víz sebessége (2-3 m/s) a turbulencia mértékét jelentősen növeli, és ezáltal nagy a fajlagos hőátadás értéke. Amennyiben a hűtővíz átlaghőmérséklete kb. 40°C alatt marad (a leggyakrabban előfordul a természetes vizek esetében) a hűtőelem, a víz karbonátkeménységére nem érzékeny. Természetesen ez függ a víz karbonát keménységének és mész-szénsav egyensúlyának értékétől. A csövek állandó keresztmetszete és a kedvező hidraulikai vonalozása miatt, a víz lebegőanyag– tartalmára sem érzékeny. Az elgőzölögtető hűtőelemek: Ezek kazánszerkezetnek (kazán-fűtőfelületnek) minősülnek, a hűtési feladatok ellátásán túl, tehát ki kell elégíteni a kazánbiztosi előírásokat is. Ez kettős követelmény főként nagyobb gőznyomások esetén olyan hűtőelem-megoldásokat eredményez, amelyek a szokásos vízhűtésű elemektől sokszor lényegesen eltérnek. Az ipari hűtések legfontosabb alkotórészei a hűtőelemek, amelyek igen sokféle kialakításúak lehetnek. Azt is megállapíthatjuk azonban, hogy a sokféle elem között több esetben találhatók olyanok, amelyeknek szerkesztésekor sem a hőtechnika, sem a hidraulika számos szabálya nincs figyelembe véve. A hűtőelem-szerkesztőkre vár a feladat, hogy a jövőben az ipari hűtőelemeket a hidraulika és hőtechnika korszerű

88

IPARIVÍZ

elveinek figyelembevételével szerkesszék. Ezzel mind a hőenergia-gazdálkodási, mind a vízgazdálkodási vonatkozásban jelentős műszaki és gazdasági előnyt lehet biztosítani (vízmennyiség-, hőmennyiség-, és költségmegtakarítás). 5.3.4. A vizes hűtőelemek hőtechnikai, rövid áttekintése A hűtőelemek közül a leggyakrabban alkalmazott típusnak, a folyékony és gáznemű (gőz) anyagok hűtésére használt hőcserélőknek a hőtechnikai méretezésével foglalkozunk. A következőkben a felületi vagy rekuperatív hőcserélőkre vonatkozó összefüggéseket tárgyaljuk. A keverő hőcserélők, amelyekben a két közeg közvetlenül érintkezik, a felületi hőcserélők speciális eseteiként kezelhetők. A hőátviteli tényező (k): A felületi hőcserélőkben lejátszódó hőátviteli folyamat áll a hűtendő anyag és a hűtőelem fala közötti hőátadásból, a hőcserélő falán keresztül történő hővezetésből és egy újabb hőátadásból a hűtőelem fala és a hűtő folyadék között. A meleg közegből a hideg közegbe átáramló hőmennyiség a következő alakban írható le: G = k ⋅ F ⋅ Δt k (W ) ahol: G – az átadott hőáram (W) k – hőátviteli tényező a leírt háromlépcsős folyamat együttes hőátbocsátási együtthatója (hőcserélőknél a k értékének növelése a cél) (W/m2 °C) F – a hőcserélő felülete (m2) Δtk – hőcserélő két oldalán lévő közegek jellemző, közepes hőfokkülönbsége (°C) A különböző felépítésű hőcserélők tájékoztató k értékei a vonatkozó hőtechnikai segédletekből, táblázatokból nyerhetők (Palkovics, 1984). A k érték, egyébként, szennyeződés mentes, tiszta állapotú hőcserélőknél a következő összefüggéssel számítható: 1 k= W m 2 °C 1 δ 1 + +

(

α1

)

λ α2

α1;α2 – a hőcserélő belső és külső fala mentén a hőátadási tényező (W/m2, °C) δ – a hőátadó felület vastagsága (m) λ – a hőátadó fal anyagának hővezetési tényezője (W/m°C) A közegek egymáshoz viszonyított áramlási iránya szerint a hőcserélő lehet (30. ábra) (Jászay, 1974): egyenáramú, ellenáramú, keresztáramú, az előzők különböző kombinációi (pl. kereszt-ellenáram, kereszt-egyenáram). -

IPARIVÍZ

89

31. ábra: Az ipari hőcserélők alaptípusai Egy adott G hőáram átadására, egyenlő k hőátviteli tényező és egyenlő ki- és belépő hőfok esetén az ellenáramú hőcserélő igényli a legkisebb felületet, mert a hőmérsékleteloszlásból adódó Δtk itt a legnagyobb. Ehhez a feladathoz nagyobb felület szükséges keresztáramú hőcserélőből, és még nagyobb az egyenáramúból. Ennek megfelelően a gyakorlatban, ha lehetséges ellenáramú hőcserét igyekeznek alkalmazni. Egyenáramú hőcserélő alkalmazása az ellenáramúval szemben akkor indokolt, ha a hűtendő közeg hőmérséklete magas és a hőcserélő falhőmérsékletét nem célszerű magas szinten tartani. Az egyenáramú hőcserélőben ugyanis (azonos belépő közeg hőmérsékletek mellett) a falhőmérséklet kisebb, mint az ellenáramúban (31. ábra).

32. ábra: A közeg hőmérséklet alakulása a különböző hőcserélőkben Keresztáramú hőcserélőket a gyakorlatban ott alkalmaznak, ahol egyik vagy mindkét közeg átáramló térfogata nagy, tehát nagy belépési keresztmetszetet kell biztosítani. Tipikus alkalmazási területek pl. a léghűtés.

IPARIVÍZ

90

5.4. A hűtéshez szükséges hűtővíz térfogatáram Külön kell foglalkozni a különböző ipari technológiákban alkalmazott vizes hűtési folyamatok (hőcserélők) vízigényeivel. A szükséges hűtővíz térfogatáram: QT (l/h) zárt hűtőelem esetén: GT QT = ρ ⋅ c ⋅ Δtv ahol: GT – a vízzel elszállítandó hőmennyiség (kJ/h) ρ – a víz sűrűsége (gyakorlatilag konstans 1 kg/liter), c – a víz fajhője (4,1868 kJ/kg°C, régi mértékegységben 1,0 kcal/kg°C, ami gyakorlatilag szintén konstans érték), Δtv – hűtőelemről ki- és belépő vízhőfok (t2-t1°C) különbsége, amit az ipari gyakorlatban 5…10…20 °C között alkalmaznak. Az adott hőáram elvonásakor felhasznált víz térfogatárama tehát kizárólag a víz felmelegedésének mértékétől (Δtv) függ, azzal fordítva arányos. Teljesen egyértelmű, hogy ha egy hűtési feladatnál a Δtv értékét a kétszeresére (pl. 5°Cról 10°C-ra) növelik, az igényelt víz térfogatáram elméletileg a felére csökken. Milyen korlátozó tényezőket kell figyelembe venni a kilépő vízhőmérséklet (t2) növelésekor: a.) vízhőmérséklet-növelés miatt növekszik a hűtőelem falhőmérséklete, b.) vízkőképződés felléphet, c.) korróziós károsodás alakulhat ki, d.) fal menti elgőzölgés is bekövetkezhet. A hőcserélőkben a víz áramlási sebességének csökkenésével, csökken a vízoldali hőátadási tényező, tehát a hőátviteli tényező is. A kisebb vízsebesség miatt, a hűtőelemben megnő a víz lebegő szennyezéseinek a kiülepedése, ami tovább rontja a vízoldali hőátadási tényezőt (α). Tehát a gyártástechnológia hűtőzónájának ( Δt) jelentős növelését, a hűtőelemek hidraulikai vizsgálata kell, hogy megelőzze, vagy új üzem esetén, a csökkentett víz térfogatáram hidraulikai viszonyainak megfelelő hűtőelem alkalmazása szükséges, vagy a rendszert károsító hatásokat gátló inhibitorok adagolása jelentkezik, vagy pedig a hűtővízkör vízminőségét kell kezeléssel javítani A felsorolt tényezők vizsgálatakor meg kell állapítani, hogy az ipari hűtések során, ahol a hűtendő anyag (berendezés) hőmérséklete 100 °C környékén van, vagy azon jóval túl (pl. a vaskohászatban 1000°C-on felül). A falhőmérséklet alakulását tehát kevésbé befolyásolja a hűtöttvíznek pl. 5°C-tól 20°C-ra növelt Δt értéke, mint a hőátadási tényező (α) változtatása. Az α tényező értékét kedvezőtlenül befolyásoló tényezők: a vízkőképződés, a lebegőanyagok kiülepedése és a víz áramlási sebességének csökkentése. A hőátadást jelentősen befolyásoló tényezők reális alakítási lehetősége tehát csaknem kizárólag az üzemi vízgazdálkodást tervező, ill. üzemeltető kezében van. A vízkő-kiválás vagy a korrózió kiküszöbölése a hűtővizeknél a vízminőség egyensúlyának megfelelő beállításával vagy inhibitorok adagolásával lehetséges. A lebegőanyagok kiülepedésének elkerülése vagy a hűtőelemek hidraulikailag kedvező kialakításával (technológiai feladat), vagy diszpergáló vegyszerek alkalmazásával biztosítható.

IPARIVÍZ

91

A fal menti elgőzölgés káros hatásainak (vízkő-kiválás) elhárítása vagy a hűtővíz minőségének növelésével, vagy a nyomás növelésével, vagy pedig sótalan hűtővízzel, elgőzölögtető hűtés bevezetésével (csak nagy hőterhelések esetén) oldható meg. Ha figyelembe vesszük, hogy az ipar hatalmas vízmennyiségeket használ hűtési célokra, és hogy Δt értékének reális alakításával ezeket a vízmennyiségeket gyakran felére vagy esetleg negyedére lehetne csökkenteni, nemcsak vízzel, hanem az energiával is nagymértékben lehetne takarékoskodni. Külön figyelmet érdemel a hűtővizek magasabb hőmérsékleten tartásában rejlő hulladékhő hasznosítás lehetősége is. 5.5. A hűtővíz visszahűtő berendezései

Az iparban a hűtővizet vagy a nagy hőhatásnak kitett berendezések szerkezetek, vagy a termékek, illetve segédanyagok hűtésére használják. A hűtővíz használat közben hőt vesz fel, tehát hőmérséklete emelkedik (Δt). Ez a hőfokemelkedés - a gyártástechnológiáktól, berendezéseiktől és azok üzemmódjától függően - általában jelentősen változik (Δt = 5…25°C). A hűtővizek használat közben hővel szennyeződnek, ezért újrahasználatuk esetén, vagy a nagy hőmennyiségeket szállító hűtővizek befogadóba bocsátása előtt a hőszennyezést részben vagy egészben el kell távolítani, azaz a vizet vissza kell hűteni. A visszahűtést erre alkalmas berendezésekkel (hűtőtornyok, hűtőtavak, hűtőmedencék) végzik. 5.5.1. Nedves hűtőtornyok (hűtőcellák)

A hűtővízzel elvont hőt a hűtőtornyok adják át a környezeti levegőnek. A hűtőtoronyban a víz lehűl és így újra visszavezethető a hűtendő berendezésbe. A hűtőtornyokat különféle szerkezeti kialakításokkal készítik (32. ábra). Attól függően, hogy a levegő áramlását a torony statikus huzata (Δpstat) vagy ventilátor biztosítja, a torony lehet: természetes huzatú (hűtőtorony) mesterséges huzatú (hűtőcella) vegyes huzatú (hűtőtorony)

A hűtőtoronyban elhelyezett hőcserélő betét szempontjából a torony lehet: nedves rendszerű, száraz rendszerű, vegyes rendszerű, A hűtő- és hűtött közegek egymáshoz viszonyított áramlási irányát tekintve a torony lehet. ellenáramú, keresztáramú.

IPARIVÍZ

92

33. ábra: Hűtőtorony típusok A levegőáramlás biztosítása a hűtőtoronyban: A hőcserélő elemeken és a hűtőtorony egyéb részein fellépő nyomásveszteséget (Δp’) és a hűtőtorony tetején jelentkező kilépési veszteséget (Δpki) kell fedezni a ventilátor által létrehozott összes nyomásnövekedésnek (Δpö) vagy a torony statikus huzatának (Δpstat):

(

)

Δp'+ Δpki = Δpö = Δpstat N m 2 Mesterséges szellőzés: estén a ventilátor által szállított levegő tömegáram (L) gyakorlatilag állandó és meghatározható a ventilátor jelleggörbéjéből. Mivel nagy légmennyiségeket kell szállítani viszonylag kis ellenállás mellett, ezért a hűtőtornyokban főként, a nagy berendezéseknél pedig kizárólag kis fordulatú, nagy átmérőjű axiál-ventillátorokat alkalmaznak.

Természetes szellőzésnél: a szükséges Δpstat értéke meghatározza a torony köpenyének magasságát. A levegő sűrűsége a földfelszínhez közel állandónak vehető (ρl = állandó) Δp stat = ( ρ i − ρ ki ) g ⋅ H N m 2 ahol: ρl = a mindenkori külső levegő sűrűsége (kg/m3) ρki= hűtőbetéteken felmelegedett levegő sűrűsége (kg/m3), g = nehézségi gyorsulás (m/s2) H = a hűtőtorony huzat szempontjából figyelembe vehető magassága (m)

(

)

IPARIVÍZ

93

Mivel a szükséges huzatot magas toronyköpennyel lehet csak biztosítani (h = 40…100m) ezért a természetes huzatú hűtőtornyok alkalmazása csak nagy hőterhelések esetén gazdaságos. A legnagyobb hőterhelésű hűtőtornyokat főként a villamos erőművekben alkalmazzák. Az erőművek esetében a megfelelő típusú hűtőrendszer kiválasztása mindig gazdasági optimumszámítással történik, mivel a víz visszahűtési hőmérséklete meghatározza a kondenzátor nyomását, és ezáltal befolyásolja az erőművi körfolyamat hatásfokát (1°C hőmérséklet-csökkenés hatására kb. 0,6 %-kal nő az erőmű villamos teljesítménye). Egy természetes huzatú nedves hűtőtornyot ábrázol a 33. ábra.

34. ábra: 435 MW-os természetes huzatú nedves hűtőtorony A kisebb hőterhelésű hűtőtornyokat – a nedves és a száraz rendszerűeket egyaránt – általában ventillátorral építik, bár a ventillátoros hűtőcellákat (34. ábra) nagyobb hő leadására is alkalmazzák (hűtőcellasorok).

94

IPARIVÍZ

35. ábra: Ventillátoros keresztáramú nedves hűtőcellák 1. Diffuzor 2. Konfuzor 3. Ventilátor 4. Melegvíz-bevezetés 5. Melegvíz-elosztás 6. Melegvíz-tálca 7. Hűtőfelület

8. Vízszóró 9. Vízfilmesítő 10. Hűtőlaprögzítés 11. Hűtőlaprögzítés 12. Hűtővíz-medence 13. Szabályozó-zsilip 14. Hűtővíz-elvezetés

A recirkulációs hűtővíz rendszereknél, visszahűtésre a leggyakrabban a nedves hűtőtornyokat használják A nedves hűtőtornyok hűtőbetétjeinek felületén a hűtendő melegvíz közvetlenül érintkezik a levegővel. A nedves hőcserélőben két különböző fizikai folyamat (egyidejű hő- és anyagátadás) játszódik le, amelynek eredményeképpen a víz lehűl, a levegő nedvességtartalma megnő. Az üzemállapottól függően, a hőmérséklete is nő, de bizonyos esetben csökkenhet is. A nedves hűtőbetétekkel szemben támasztott követelmények: minél nagyobb fajlagos hűtőhatás elérése, a betét ára alacsony legyen, a betét időálló, öntisztuló és könnyen cserélhető legyen stb. A hűtőbetéteket régebben fából, azbesztcement sík- és hullámlemezből készítették. Ma már csaknem kizárólag műanyag betéteket használnak. A betét bonyolult formájú csatornarendszereit a minél jobb hő- és anyagátadás céljából úgy alakítják ki, hogy a felület egyenletesen nedvesedjen, valamint a vízfilm és a levegő is többszörösen átkeveredve, turbulensen áramoljon, de a levegő oldali áramlási ellenállás minél kisebb legyen. Továbbá fontos szempont az öntisztuló képesség is. A hűtőbetétek méretezése a hő- és az anyagátadás számításának analógiáján alapszik. Az egyszerűsített módszerek, a Merkel-számra vonatkozó Me = C . λn

IPARIVÍZ

95

alakba felírható hűtőbetét jelleggörbét használják, amelyet kísérleti úton határoznak meg. Me – a Merkel szám, C és n – a mérésekkel meghatározott együttható, ill. kitevő, λ– a száraz levegő és a víz tömegáramainak a hányadosai, (Poppe. 1973) A nedves hűtőtoronyban a hűtött víz elérhető hőmérsékletét a levegő nedves hőmérséklete határozza meg (35. ábra). Mivel a nedves hőmérséklet nyáron jóval alacsonyabb a levegő hőmérsékleténél (pl. 32°C-és 40 % relatív páratartalom mellett tn= 21,5°C), ezért a nedves tornyokkal nyáron alacsonyabb vízhőmérséklet érhető el (kb. 26-28°C), mint a száraz tornyokkal (kb. 35-40°C). A nedves hűtőtornyok „jóságát” (e) az jellemzi, hogy a tv1 hőmérsékletű víz a toronyban lehűlve (tv2) mennyire közelíti meg a levegő nedves hőmérsékletét (tn): t −t e = v1 v 2 tv1 − t n Ennek értéke maximálisan 1,0 lehet, ami azonban csak végtelen nagy felülettel lehetne elérhető.

IPARIVÍZ

96

36. ábra. A relatív légnedvesség meghatározása a száraz és nedves hőmérőn végzett leolvasással A „jósági” fok függ a torony rendszerétől is, pl. a mesterséges huzatú tornyokkal kedvezőbb jósági fokot lehet elérni, mint a természetes huzatúakkal, vagy az ellenáramú kialakítás előnyösebb adottságokkal rendelkezik, mint a keresztáramú. A hűtőrendszer tervezésekor a hőáram (G) adott, és a lehűtött víz hőmérséklete annál jobban fogja megközelíteni a levegő nedves hőmérsékletét, minél nagyobb méretű (felületű) hűtőtornyot alkalmazunk – természetesen a torony méretének megfelelően nő a költség is.

IPARIVÍZ

97

A recirkulációs rendszerű vízhűtést megvalósító nedves hűtőtornyok méretezéséhez a következő paramétereket kell megadni: • Hűtővízáram • Hűtőzóna (melegvíz és hűtöttvíz hőmérsékletek különbsége) • Belépő levegő száraz és nedves hőmérséklete (vagy száraz hőmérséklete és relatív nedvességtartalma, ezekből a nedves hőmérséklet már számítható), valamint légnyomása (ennek hatása azonban viszonylag csekély, legtöbbször elhanyagolható mértékű) • Hűtöttvíz hőmérséklete. A recirkulációs rendszerben működő nedves hűtőtornyoknál a valóságban kialakuló hűtőzóna nem a hűtőtorony „jóságától”, hanem attól függ, hogy a kiszolgált technológiánál mekkora az elvonandó hőáram (amely a keringetett vízáramból és a hűtőzónából számítható). A hűtőtorony a technológiából elvonandó hőáramot mindenképpen át fogja adni a környezetnek, a hűtőtorony „jóságát” az jellemzi, hogy a kialakult hűtőzóna a hőmérsékletskála melyik (mennyire alacsony) részén helyezkedik el. A nedves hűtőtornyok hőtechnikai ellenőrzéséhez, ill. átvételi vizsgálatához a hűtőtorony szállítójának a következő adatokat kell megadnia: • Méretezési hűtővízáram • Méretezési hűtőzóna • Méretezési hűtöttvíz hőmérséklet • Belépő levegő méretezési adatai a következők szerint: o Természetes huzatú toronynál a levegő száraz hőmérséklete és relatív nedvességtartalma o Ventilátoros toronynál elegendő csak a levegő nedves hőmérséklete • Ventilátoros toronynál a ventilátor hajtómotor villamos teljesítményfelvétele • A hűtőtorony méretezési üzemállapotától eltérő üzemállapotára vonatkozó ún. teljesítmény diagramok, amelyekből a különböző paraméterek függvényében kiolvashatóak a garantált hűtöttvíz hőmérsékletek. Ezekre az adatokra nemcsak az átvételi vizsgálatoknál, hanem az üzemvitel optimálása céljából is szükség van. Ha a hűtőtorony szállítója esetleg nem adja meg ezeket a diagramokat, akkor ezek a méretezési pont adataiból kiszámíthatóak az általánosan elfogadottan alkalmazott számítási eljárások segítségével. 5.5.2. Száraz hűtőtornyok

A levegő a hűtőbetéteken áthaladva felveszi a hűtővíz leadott hőjét. Száraz hűtőtornyokban ez a hőcsere felületi hőcserélő elemekben játszódik le, így ezek méretezése nem tér el a hőcserélők méretezései eljárástól (Tomcsányi, 1974). A hűtőtornyok hőcserélő betétje egységes elemekből épül fel. Az elvonandó hő (G), a levegő és a hűtendő közeg tömegárama, és belépő hőmérséklete határozza meg, hogy az adott típusú elemből hány darabot kell alkalmazni (vagyis a szükséges hőcserélőfelületet F).

IPARIVÍZ

98

A száraz hűtőtornyoknál a még gazdaságosan megvalósítható belépő hőfokkülönbség (θ)10-15°C, ami azt jelenti, hogy az elérhető legkisebb közeghőmérséklet nyáron kb. 35-40°C. A száraz hűtőtornyoknál a különböző bordáscsövek, lemezbordás hőcserélők mellett Használják még a Forgó-féle apróbordás hőcserélőket is. Ezek a hűtőelemek alumíniumból készülnek, amelyek normál kivitelben kb. 10 bar nyomásig használhatók. Ezeket a hűtőelemeket közvetlen termékhűtésre is alkalmazzák (pl. gázhűtők, olajhűtők). Zárt vízhűtés esetén a hűtővíz igényelt minősége sótalanított, kazántápvíz-minőség. A zárt rendszerű recirkulációs körnek elméletileg pótvízre nincs szüksége, gyakorlatilag azonban az elcsepegő víz pótlása szükséges. A nyári, legmelegebb időszakban a közeghőmérséklet csökkentésére a száraz hűtőtornyoknál bizonyos esetekben az ún. csúcsnedvesítést is alkalmazzák, amelynek során a hőcserélő külső felületére vizet permeteznek. Ezt azonban csak az üzemidő igen kis részében célszerű használni, mivel a felület nedvesítése a következő hátrányokkal is jár: o A kőkiválási és lerakódási veszély miatt csak sótalanított víz használható a nedvesítéshez, a vízköltség ezért jelentős költségtétel lehet o A környezeti levegőben lévő szennyeződések hatására még a sótalanított víz használatakor is képződik lerakódás, amely a rendszerint sűrű bordázat (lemezosztás) miatt az áramlási ellenállást is számottevően megnövelheti és a száraz üzemmódban is csökkentheti a hőátviteli tényezőt. o A hőcserélő élettartama a nedvesítés hatására, a lerakódási és korróziós jelenségek következtében, jelentős mértékben lerövidül. Összefoglalva: a száraz hűtőtornyok legfőbb előnye, hogy alkalmazásuknál pótvízre gyakorlatilag nincs szükség, hátrányuk azonban az, hogy a nedves hűtőtornyokkal összehasonlítva csak lényegesen magasabb vízhőmérséklet előállítására képesek, beruházási költségük pedig azonos hőelvonás mellett kb. kétszerese a nedves hűtőtornyokénak. Tekintettel arra, hogy a hűtővíz 1 oC-kal történő növekedése pl. a villamosenergia termelésnél változatlan hőbevezetés mellett kb. 0.6%-kal csökkenti a termelt villamosenergia mennyiségét, bizonyos ipari folyamatoknál pedig akár 5 %-kal is növelheti a folyamatba bevezetendő energia mennyiségét. A száraz hűtőtornyok alkalmazási területe lényegesen szűkebb, mint a nedves hűtőtornyoké. Bizonyos területeken azonban kétségtelenül a leggazdaságosabb hűtési megoldást szolgáltatják. 5.5.3. Hibrid (nedves-száraz) hűtőtornyok

Ezek a meglehetősen drága berendezések nedves és száraz hűtőtorony részt is tartalmaznak, és alkalmazásuk fő céljai a következők: a száraz hűtőtornyos hűtéssel elérhetőnél alacsonyabb hőmérséklet szinten történő hőelvonás megvalósítása a nedves hűtőtornyos hűtéshez szükségesnél kisebb pótvíz igénnyel, továbbá az, hogy a nedves hűtőtornyoknál az üzemidő jelentős részében látható kilépő vízpára csóvát részben vagy teljes mértékben eltüntessék. A páracsóva (amely szennyezőanyagot egyébként gyakorlatilag nem tartalmaz) nagyságának csökkentése, ill. láthatatlanná tétele a lakott területek közvetlen közelében, főbb közlekedési utak vagy pl. repülőterek mellett, valamint esztétikai okokból lehet indokolt, ennek azonban komoly ára van, mivel a hibrid hűtőtornyok drágák, az elérhető vízmegtakarítás döntő része pedig csak a téli időszakban jelentkezik.

IPARIVÍZ

99

5.5.4.Hűtőtavak A hűtőtavak és –medencék a többlethőt a vízfelületen adják át a levegőnek. A hőátadás folyamata azonos a nyitott (nedves) hűtőtornyoknál tárgyaltakkal. Mégsem lehet az ott alkalmazott összefüggéseket használni, mivel a hűtőlevegő mennyisége nem határozható meg, mivel az a természetes légmozgástól függ, a vízzel érintkező hűtő levegő páratartalma ismeretlen, mivel az szintén a természetes légmozgástól és egyéb természeti viszonyoktól függ. Éppen ezért a hűtőtavak méretezése kísérleti, empirikus összefüggések segítségével végezhető el. A hűtőtavak kialakításakor (37. ábra) alapvetően fontos az egyenletes áramlás biztosítása, amit terelőgátak beépítésével lehet elérni.

37. ábra: A hűtőtó kialakítása 1. szivattyúgépház, 2. hordalékfogó, 3. terelőgát, 4. vízkivételi kút, 5. melegvíz-bevezetés, 6. zsilip, 7. frissvíz-pótlás, 8. vízlebocsátás A hűtőtó pótvízigénye számítható a visszahűtés túlnyomó részét előidéző párolgási veszteségből, a tó természetes párolgásából, a tómeder szivárgási veszteségeiből, a túlfolyásokból. A párolgási hőelvonás kisebb mértékű, mint a nedves hűtőtornyok esetében, annak 7080 %-a. A tó természetes fajlagos párolgása függ a levegő páratartalmától (a hazai viszonyok között a természetes párolgás 500-1000 mm/év között változik). A különböző geológiai, talajtani viszonyok között kialakított hűtőtavak szivárgási veszteségei is különbözőek, értékei nagymértékben szórnak. Éppen ezért a tavak medrének megfelelő mesterséges vagy természetes kolmatációjáról gondoskodni kell. A

IPARIVÍZ

100

hazai hűtőtavak átlagos szivárgási veszteségei a geológiai és kolmatációs viszonyoktól függően 1…3 mm/d. A hűtőtó szükséges túlfolyása (lebocsátás) közel azonos értékű a párolgási veszteséggel. Természetes vízpótlás esetén a hűtőkör elviseli, ha egy vagy maximum két hétig, évi egy-két alkalommal a vízpótlás kisebb értékű, vagy szünetel. 5.5.5. Hűtőmedencék

A tavakhoz hasonló, hidraulikai viszonyai azonban általában jobbak. Sem hűtési hatásfokban, sem költségekben általában nem versenyképesek a hűtőtornyokkal vagy hűtőcellákkal.

38. ábra: Hűtőmedence 1. medence, 2. melegvíz-elosztó csőháló, 3. melegvíz-szóró rács, 4. hűtöttvíz-elvétel A hűtési hatásfok növelése céljából alkalmazzák hűtőtavak vagy hűtőmedencék esetében a szóróhűtést (38. ábra). A meleg vizet a tó, illetve a medence felett szórófejek és víznyomás segítségével a levegőbe szórják. Gondoskodni kell a nem túl finom és nem túl nagy cseppek képzéséről, az elfogadható hűtőhatás és viszonylag kis szóródási veszteség elérése céljából. A szükséges szóró túlnyomás 6…8 mvo. A csővezetékek és a szórófej-ellenállás, valamint a túlnyomás összesen több mint kétszeres emelőmagasságot igényel, mint ami a hűtőtornyok esetében szükséges.

101

IPARIVÍZ

II. ÜZEMI VÍZGAZDÁLKODÁSI RENDSZEREK

6. ÜZEMI VÍZGAZDÁLKODÁS Az Üzemi vízgazdálkodás, a vízhasználó üzem olyan vízellátási, vízhasználati és használtvíz elvezetési tevékenységeinek összessége (vízbeszerzés, szállítás, kezelés, tárolás, továbbá a vízhasználat, valamint a használt vizek összegyűjtése, kezelése, újrahasználata, elvezetése és a vízből kinyert szennyezőanyagok ártalommentes elhelyezése), ami a környező természeti és gazdasági-földrajzi lehetőségek és a vonatkozó technika ésszerű alkalmazásával, az üzem számára maximális eredményt biztosít. Ez az eredmény azonban csak akkor érhető el, ha mind ez a tevékenységi sorozat, egy egymásra épülő,egységes műveleti sorban, azaz egy optimálisan együtt működő rendszerben valósul meg. Ennek az ésszerű rendszernek a megtervezése, az üzemi vízgazdálkodási rendszerváltozatok műszaki-gazdasági optimalizálásával végezhető el. Az üzemi vízgazdálkodási rendszer optimális megoldása azonban csakis úgy valósítható meg, ha az üzem egész vízgazdálkodási rendszerének összes eleme és alrendszerei – az üzem sajátosságainak megfelelően változó kiinduló adatokkal és ennek megfelelően változó végeredményekkel (adott határok között változó inputok és outputok) szerepelnek a rendszer vizsgálatban. Ez a célrendszer tehát sokalternatívás vizsgálattal kerül kiválasztásra. Ha az elemek változó kezdeti és végparamétereihez gazdasági adatokat (fajlagosokat) is rendelünk, meghatározható a rendszer műszaki-gazdasági optimuma. 6.1. Az üzemi vízgazdálkodás alapfogalmai

Üzemi vízgazdálkodási rendszer [ÜVR] Magába foglalja az üzemi vízgazdálkodás körébe tartozó összes létesítményt, berendezést és tevékenységet (39. ábra).

39. Az Üzemi Vízgazdálkodás főbb létesítményei

IPARIVÍZ

102

6.1.1. A vízmennyiségek jelölése [ Q m3/h]

Frissvíz [Qf] Az a vízmennyiség, amit az ipari üzem a termelési technológiáihoz, valamint a szociális és egyéb járulékos céljaira a természetes vízbázisból termel, vagy közműtől, ill. más vízhasználótól beszerez: Qf Újra használt víz [Qu] Az a vízmennyiség, ami vízforgatással, vagy sorba kapcsolt vízhasználatokkal a vízhasználó helyeken ismételten felhasználnak. Forgatott víz (recirkuláció) [Qr] Az a vízmennyiség, amit egy ugyanazon vízhasználó helyen (technológiai művelet v. művelet-soron) ismételten újra használ. Soros vízhasználat [Qs] Az az újra használt vízmennyiség, ami a vízellátásban sorba kapcsolt vízhasználó technológiákon adott időegység alatt átfolyik. (Az első használt vizet átadó vízhasználó, frissvíz használó.) Más vízhasználótól átvett használt víz[Qh] Az a használt víz, amit más vízhasználó üzemtől újra használatra vagy kibocsátás előtti tisztításra átvesznek. Teljes (technológiai) vízhasználat [Qt] Az üzem által felhasznált összes frissvíz és összes újra használt víz adott időegység alatt átfolyó mennyisége. (Ez a fogalom egy-egy vízhasználó helyre is értelmezhető) Qt = Qf + Qu Használt víz [Qh] (szennyvíz) Az a vízmennyiség, ami az üzem összes vízhasználója után keletkezik, és kezelés után, vagy anélkül, újrahasználatra,vagy külső elhelyezésre kerül (élővíz, közcsatorna, vagy más vízhasználónak átadva). Szennyezett használt víz (szennyvíz) [Qhsz vagy Qsz] Az a kibocsátásra kerülő használt víz, aminek szennyezettsége a befogadójának bebocsátási értékhatárát túllépi, és a kibocsátás előtt, megfelelően tisztítani kell. Más vízhasználónak átadott használt víz [Qhá] Az a kibocsátásra kerülő használt víz, amit más vízhasználónak ismételt használatra vagy tisztításra átadnak. Vízveszteség [Qv] Az a vízmennyiség, ami a vízhasználatok közben elpárolog, elszivárog, elszóródik, a termékkel kihordásra, a termékbe bedolgozásra kerül, vagy a vízkezelés során a kinyert szennyező anyaggal távozik, ill. a recirkulációs körből lebocsátásra kerül. Qv = Qvp+Qvsz+Qvt+Qvk+Qvl

103

IPARIVÍZ

Elpárolgó víz [Qvp] Az a vízmennyiség, ami a gyártástechnológiákból, a vízhűtő berendezésekből (hűtőtornyok, cellák, medencék, hűtőtavak) és a víztárolókból elpárolog. Elszivárgó és kihordott víz [Qvsz] Az a vízmennyiség, ami a vízellátó, vízkezelő, vízhasználó és elvezető létesítményekből elszivárog, és amit a különböző vízzel kezelt termékekkel kihordanak (ami szintén elszivárog, vagy elpárolog). Termékbe bedolgozott víz [Qvt] Az a vízmennyiség, amit a gyártástechnológiákban a termék alkotóelemeként felhasználnak (élelmiszeripari termékek, gőz, vegyipari termékek stb.) Víz-visszaforgató körből lebocsátott víz [Qvl] Az a vízmennyiség, amit a víz-visszaforgató körből a forgatott víz szennyezőanyag tartalmának csökkentése (lesózás) céljából lebocsátanak. Szennyezettsége általában a befogadók bebocsátási érték határa alatt van, ellenkező esetben kellően tisztítani szükséges. Amennyiben újra használják, soros vízhasználatként kezelendő. Vízkezelési veszteség [Qvk] Az a vízmennyiség, ami a frissvíz vagy az újra használt víz, ill. a kibocsátásra kerülő használt víz (szennyvíz) kezelése során a kinyert szennyező anyagokkal távozik. Frissvíz kihasználási tényező [n] Egy viszonyszám, értéke a frissvíz újra használatának elméleti mértékét adja, ami a teljes vízhasználat és a felhasznált frissvíz hányadosaként képezhető: n=

ΣQt ΣQ f

6.1.2. A vízminőségek jelölése [c mg/l] Azonos indexű [ cx ] az adott ponton szereplő vízmennyiség jelével [ Qx ].

A befogadóba bocsátható szennyezés kritériuma = ck 6.2. Az üzemi vízgazdálkodási modellek 6.2.1. Az üzemi vízgazdálkodás általános modellje

Az üzemi vízgazdálkodási rendszer, a környezetben (természetben) rendelkezésre álló vízkészletek mennyisége és minősége, valamint az ipari termeléstechnológiák rendszerének mennyiségi és minőségi vízigénye között elhelyezett, transzformációt végző (kiegyenlítő) rendszer. Ezzel egyidejűleg mind az ipari technológiák, mind a térségi vízgazdálkodás (vízkészlet-gazdálkodási és vízminőség-védelmi) rendszereinek az alrendszere. Ezekkel szoros kapcsolata lévén mindkét irányban rendelkezik mind bemenő-, mind kimenő jelekkel 40. ábra).

IPARIVÍZ

104

Az üzemi vízgazdálkodási rendszernek az ipari technológiák rendszerébe kimenő jelei a termeléstechnológiák vízellátási adatai (vízmennyiség, minőség, nyomás és hely). Ez függ a gyártástechnológiától, a vízhasználó berendezésektől és az üzemállapotoktól. Az ipari technológiák rendszeréből bemenő jelek a használtvíz jellemző adatai (vízmennyiség, vízszennyezés, nyomás, hely), amelyek szintén az említett üzemi adottságoktól függenek. A környezeti rendszerből bemenő jelek a beszerzett friss víz adatai (mennyiség, minőség, szint és hely). Ezek az értékek függnek a környezet természeti-földrajzi adottságaitól. A térségi vízgazdálkodási rendszerbe kimenő jelek az üzemből kibocsátott használt vizek jellemzői (szennyvízmennyiség és –minőség, a vízszennyező anyagok mennyisége, elhelyezése stb.). Ezek függenek a környezet (befogadó) szennyezőanyagterhelhetőségétől. A környezeti rendszerbe kimenő további jelek a használt vizekből kinyert és a környezetben elhelyezendő szennyező anyagok (iszap) jellemzői. Mivel az üzemi vízgazdálkodási rendszer, mind az ipari termeléstechnológiák, mind a térségi vízgazdálkodási főrendszerek által szabályozott alrendszer, ezek a főrendszerek határozzák meg, hogy mennyi és milyen vizet szükséges biztosítani, milyen és mennyi vízszennyező anyag kerül a használtvízbe, adott feltételekkel mennyi és milyen víz szerezhető be a környezetből. mennyi és milyen szennyező anyag bocsátható ki a környezetbe és milyen feltételekkel. Tehát az optimális üzemi vízgazdálkodási rendszer kialakításának, ill. tevékenységének (üzemének) célja, hogy: az ipari üzem vízellátását az ipari vízhasználó helyek igényeinek megfelelően biztonságosan oldja meg, az ipari üzemi vízhasználó helyeiről kilépő használt vizeket az üzem és a környezet igényeinek megfelelően, helyezze el, az üzemi vízgazdálkodási tevékenység a gyártott ipari termékre minimális költségkihatással legyen, azaz optimális tevékenységet végezzen. A rendszer elemeinek (alrendszerei) biztosítani kell az adott ponton és adott időben a vizek mennyiségi, minőségi szintbeli és távolsági transzformációit: a víztermelő létesítmények, a friss víz (ipari nyersanyag) rendelkezésre bocsátását, a víztározók, a vízmennyiségek igény szerinti kiegyenlítését, a szivattyútelepek, az igényeknek megfelelő vízmennyiséget és nyomást a csővezetékek és csatornák, a térbeli távolsági kiegyenlítést, a víz- és szennyvízkezelő technológiák (berendezések), az adott pontokon szükséges vízminőségeket.

IPARIVÍZ

105

40. ábra. Az üzemi vízgazdálkodás általános modellje Az említett elemek és alrendszerek kombinációból alakítható ki a megfelelő üzemi vízgazdálkodási rendszer, ill. rendszerváltozatok. Az üzemi vízgazdálkodási rendszert azonban nemcsak a saját elemei és alrendszerei vezérlik, hanem a külső rendszerek (gyártástechnológia és térségi vízkészletgazdálkodási rendszer) is szabályozzák. Ugyanakkor az üzemi vízgazdálkodási rendszer is befolyásolja a külső rendszerek működését. A gyártástechnológiák rendszerének vízigény adatai és vízszennyezőanyag-kibocsátásai ugyanis szabályozhatók, a technológia vagy a vízhasználó berendezés üzemmenetének változtatásával. A térségi rendszer szabályozása pedig a víz és szennyvíz kiegyenlítő tározók, ill. a vízkészlet gazdálkodás egyéb eszközeinek alkalmazásával. Ezek a változtatások azonban csak két esetben reálisak. Első eset, ha ennek a változtatásnak a költsége kisebb, mint a vízgazdálkodási rendszerben ezáltal elérhető megtakarítás (gazdasági szabályozás). Második eset, ha a térségben egyébként nem szerezhető be az igényelt friss víz, ill. nem helyezhető el a kibocsátásra kerülő vízszennyező anyag a gazdaságossági normatívák ésszerű határain belül (műszaki, természeti-földrajzi szabályozás). Abban az esetben, ha a víz fajlagos költségei a technológia változtatása árán sem csökkennek reális határ alá, más üzemtelepítési változatokat kell megvizsgálni. Az üzemi vízgazdálkodási rendszerek igen jelentős szabályozása történik a térségi vízgazdálkodási rendszerek kritériumai által. A frissvíz igények kielégítése céljából ugyanis a szabad vízkészletek mennyisége növelhető vízhozam-kiegyenlítő tározók vagy nagy vízátvezetések létesítésével. Az üzemi vízgazdálkodási rendszereket szabályozó – a külső rendszerek által megszabott – korlátozó feltételek a következők: az ipari üzem vízhasználó helyei által igényelt víz mennyiséget, minőséget, és nyomást (szintet) a különböző üzemállapotoknak megfelelő értéktartományban kell szolgáltatni.

IPARIVÍZ

106

-

az ipari vízhasználó helyekről távozó használt vizeket meghatározott változó mennyiségek, minőségek, és nyomások szerint kell fogadni, az üzem által a különböző környezeti vízbázisokból beszerzett friss víz mennyisége nem lehet nagyobb az engedélyezett értéknél, a rendszerből a környezetbe (befogadóba) kibocsátott vízszennyezések (szennyvízben és iszapban) fajtánkénti mennyisége nem lépheti túl az engedélyezett értéket. Az üzemi vízgazdálkodási rendszerből a térségi rendszerbe történő visszacsatolás következményeinek (komplex tározók, nagy vízátvezetések) részarányos gazdasági hatása az üzemi vízgazdálkodási rendszert terhelik. Ez is hozzájárul a nemzetgazdasági optimum megbízható eléréséhez, bár az ilyen létesítésnek a realitása minimális. A legtöbb üzem – különösen a nagy üzemek – vízgazdálkodási rendszere két vízhasználati alapmodell különböző (párhuzamos vagy soros) kapcsolásainak halmazából épül fel, amelyek egymással egyszeres vagy többszörös funkcionális kapcsolatban vannak. Az üzemi vízgazdálkodási rendszer az elemek és az alrendszerek funkcionális kapcsolatának jelölésével ábrázolható szemléletesen. A rendszernek így előállított ábrája, annak ikongrafikus modellje a 1. ábrán látható. Az elemek egymáshoz való kapcsolata és az outputok és inputok hatásai matematikai összefüggésekkel pontosan vagy közelítéssel leírhatók, azaz, ha a rendszer működését a matematika nyelvén megfogalmazzuk, matematikai modellhez jutunk. Az ábrán ismertetett üzemi vízgazdálkodási rendszer általános modelljéből az alapvető paraméterek különböző alakításával, bármely speciális üzemi vízgazdálkodási rendszermodell előállítható. 6.2.2. Az üzemi vízhasználatok alapmodelljei

Az átfolyó vízhasználati modell 41. ábra: A térségben gazdaságosan rendelkezésre álló szabad (engedélyezett) vízkészlet mennyisége, minősége: Q; c.

IPARIVÍZ

107

41. ábra: Átfolyó vízhasználati modell

Átfolyó vízhasználat akkor alkalmazható, ha Q ≥ Qf A beszerzendő frissvízé: Qf; cf. A termelési technológiák által igényelt víz mennyisége, minősége: QT; cT; A beszerzendő friss víz mennyisége tehát: Qf = ΣQT + QVkl A kibocsátott használt víz (szennyvíz) mennyisége: QH = QF - ΣQV A vízhasználat okozta veszteségek: ΣQV = ΣQVp + ΣQVsz + ΣQVk A beszerzett frissvízből eltávolítandó szennyezőanyag-mennyiség, ha cf >ct akkor: Sz1= QF (cf – ct) Az üzemekből kibocsátásra kerülő használt vízzel a befogadóba távozó szennyező anyagok mennyisége (szennyező komponensenként), ha nincs szennyvíztisztító: QH . cH - QVsz . cH = QT . cT + SzT - (QVsz + QVkt) . cH Amennyiben Qhsz . chsz > Szk, szennyvízkezelést kell alkalmazni (szennyezőanyageltávolítás a szennyezett használtvízből). Az eltávolítandó vízszennyező anyag mennyisége: Sz2 = QH . cH – QSz . cSz (elhanyagolva a veszteségekkel távozó szennyezőanyagokat). A szennyvíz befogadóba bocsátásának kritériuma: QH . cH ≤ QSz cSz cSz - a befogadóba bocsátható szennyezőanyag koncentráció, A recirkulációs vízhasználati modell (42. ábra.): A térségben gazdaságosan rendelkezésre álló szabad vízkészlet: Q, c A gyártástechnológiák által igényelt víz: Qt , ct

108

IPARIVÍZ

42. ábra: Recirkulációs vízhasználati modell Ha Qf < Qt általában recirkulációt alkalmaznak. Ebben az esetben a recirkulációs körben a vízmennyiség egyensúlya: QP =

∑ Q V = QVp + QVsz + QVk + QVl

A körbe belépő vízmennyiség azonos az onnan kilépővel (Kelemen, 1971.) A vízminőség egyensúlya (szennyező komponensként) a körbe belépő szennyezőanyagáram azonos az onnan kilépővel (Kelemen, L. 1971.) QP.cP +ΣSzbe = (QVsz + QVk + QVl).cr + ΣSzki (ha cr ≅ ch) (A QVp nem szállít el szennyező anyagot.) A két (mennyiségi és minőségi) egyenletben szereplő vízveszteségi értékek közül a szivárgási és szóródási veszteség (QVsz) és a különböző kezelési és kihordási veszteségek (QVk) gyakorlati adatokból (%-osan) meghatározhatók. A víz visszahűtésének párolgási vesztesége (QVp) pedig a 6.3.1. pont szerint számítható. A vízhasználó hely vízveszteségeit, ami szintén lehet párolgási kihordási vagy szóródási veszteség, a termeléstechnológia adataiból határozhatók meg. Mivel minden ipari vízhasználat a víz valamilyen mértékű szennyezésével jár, recirkulációs vízhasználat esetén is: Qh.ch > Qt .ct Vízvisszaforgatás esetén gondoskodni kell tehát a körbe belépő szennyezések folyamatos eltávolításáról. Ezt általában háromféle módszerrel lehet elérni:

IPARIVÍZ

109

a.) A vízkörbe különböző utakon belépő szennyezések eltávolítását folyamatos vízlebocsátással (QVl) és frissvíz (Qp) pótlással (hígítással) biztosítják. (A hűtővíz körök esetén gyakran alkalmazott módszer). b.) A körbe belépő szennyező anyagok eltávolítását, a visszaforgatott víz teljes vagy részáramos kezelése (szennyező anyag kinyerése) útján biztosítják. (Ezt a módszert, pl. a mosó-, áztató- stb. folyamatokban jelentősen szennyezett vizek visszaforgatása esetén, vagy lebocsátás nélküli recirkuláció esetén alkalmazzák). c.) Az a. és b. módszert vegyesen is alkalmazzák. (Ez a megoldás egyre általánosabb, különösen a recirkulációs körök fokozottabb, de nem teljes zárása esetén). Az a. módszer a gyakorlatban csak akkor nyújt kielégítő megoldást, ha a körbe belépő szennyező anyagok árama nem jelentős, és elegendő mennyiségű és csekély szennyezettségű friss víz áll rendelkezésre (kis költséggel). Ebben az esetben ugyanis annyi friss vizet (Qf) kell a recirkulációs körbe táplálni, hogy a körbe belépő szennyező anyagokat a technológia vízminőségi igényeinek (ct) megfelelő szintre felhígítsa: QP.cP + Qr.ch = Qt.ct A mennyiségi egyensúlyi egyenletből az is kitűnik, hogy jelentős pótvíz betáplálás estén jelentős lebocsátás (QVl) szükséges (részáramos visszaforgatás). Ennek ismeretében viszont az is megállapítható, hogy ez a megoldás csak akkor lehet gazdaságos, ha a lebocsátott vizet nem kell tisztítani: cht ≤ ck Ebben az esetben az általánosan érvényes egyenlet a következőképpen módosul: QP.cP + Szbe = (QVl +QVsz +QVk).ch Tehát az elfolyó veszteségekkel távozik az a szennyezőanyag mennyiség, ami a körbe belépett, azonban a párolgási veszteség nem visz magával sem oldott, sem lebegő szennyezést, számolni kell ezért azzal is, hogy emiatt besűrűsödés lép fel a körben. A b. módszer a vízben szegény, vagy a túlzottan elszennyezett szennyvízbefogadókkal rendelkező régiók üzemeiben gazdaságos. A recirkulációs rendszerbe belépő összes szennyező anyag kinyerésével biztosítható a minimális pótvízigény (QP = ΣQV), a vízlebocsátás megszűntetésével. Az egyensúlyi egyenletek tehát módosulnak: QP = ΣQVp + ΣQVsz + ΣQVk QP.cP + ΣSzbe = QVsz1.cr + (QVkt + QVk2 + QVsz2).ch + Szki, tehát nincs lebocsátás. A c. módszer – amely együttesen alkalmazza a rendszerből a vízlebocsátást (iszapolás) és a teljes vagy részáramos forgatottvíz tisztítást – a legáltalánosabb feladat. Ezt tárgyalja az eredeti két egyensúlyi egyenlet, amelyben két ismeretlen (keresett) érték szerepel: a pótvíz mennyiség (QP), és a lebocsátandó vízmennyiség (QVl). A pótvíz mennyiségének ismeretében a beszerzendő frissvíz-mennyiség számítható: Qf = QP +QVkl Ha az igényelt frissvíz-mennyisége több mint a beszerezhető: Qf > Q, csökkenteni kell a QP-t és ezzel együtt csökkenteni kell a lebocsátott vízmennyiség is. Az egyenletpár egyensúlya céljából azonban vagy a vízkezelő telepen (K1) csökkenteni kell a pótvíz koncentrációját, vagy növelni kell a szennyvíztisztító telep (K2) által eltávolított szennyező-anyag mennyiséget. Az egyenletrendszert ezért vagy a cP-re, vagy a cR-re, és

IPARIVÍZ

110

a lebocsátandó QVl vízmennyiségre kell megoldani, a QP-t constansnak felvéve (ez a beszerezhető vízmennyiség): QP + QVkl ≤ Q A cP csökkentésekor eljutunk egy határhoz, ahol annak csökkenése már nem okoz QP csökkenést, amikor QVl = 0 QP = QVsz + QVk + QVp (a kör összes vesztesége). Ha a frissvíz-igény további csökkentése szükséges (ha Qf > Q), a veszteségek csökkentését kell megoldani (zárt hűtőkör, kondenzvíz-visszavezetés, egyéb újrahasználat). Ha a QVl.cR > QVl.ck további vízkezelést (szennyvíztisztítást) kell alkalmazni (K3), vagy esetleg célszerű a termeléstechnológia vízszennyező anyagának mennyiségét (SzT) csökkenteni. Ha a szennyvízkibocsátás kritériumait a K2 kezelés kielégíti, de a visszaforgatott víz minősége nem kielégítő Qh ch – Szki > Qr cr + QVl cR a retúrvíz további kezeléséről kell gondoskodni. Ezáltal biztosítható a termeléstechnológia vízminőségi igénye. A kezelés nélküli visszaforgatás esetén a pótvízigény. c −c QP = Qt h t ch − c P A két határeset: ha cP = ct (átfolyó vízhasználat) akkor QP = Qt ha cP = cf (lebocsátással szabályozott recirkulációs kör) akkor QP = Qt[1-ct/ch] A vízhasználó technológiákban szennyeződő visszaforgatott vizek esetében ma már a legritkább esetben alkalmaznak minden kezelés nélküli vízkört. A lebegő szilárd szennyező anyagok esetében azonban gyakran előfordul, hogy alkalmaznak ugyan ülepítést, azonban a lebegő szemcsék közül – az ülepítő méretezésétől függően – csak bizonyos szemcseméretig (d) távolítja el a rendszerből a szennyezéseket. Ebben az esetben a finom szennyezések feldúsulnak.

111

IPARIVÍZ

QP − Qvp Qt

ε 43 . ábra: A besűrítés hatása az igényelt pótvíz mennyiségére és minőségére A szemcsés szennyezések kiülepíthető, ill. feldúsuló részének mennyiségét, a belépő szennyező anyag szemeloszlási görbéje alapján lehet meghatározni. A rendszerbe belépő oldott szennyezések esetén ugyanaz a számítási módszer, amit minden szennyező komponensre külön-külön szükséges elvégezni.

Q p − Qvp

1 ⋅ 0,173 ⋅ Δt ⋅ p ε −1 Qt ahol p = a párolgási hő útján távozó és az összes távozó hőmennyiség hányadosa (p=0,5-1,0) A rendszer besűrítési tényezőjének (ε) alakulását vizsgálva (Kelemen, L. –1983.): megállapíthatjuk, (43. ábra), hogy a vízhasználat közben belépő szennyező anyag mennyiségétől (-koncentrációtól, ch) függően az ε értékének 1-3, ill. 1-5 közötti változása okoz jelentős pótvízigény változást. Nagymértékű szennyezés esetén, a rendszer pótvízigénye szélesebb tartományban érzékeny az ε változására. Tehát az ⋅ 100 =

112

IPARIVÍZ

említett tartományon túl nem érdemes az ε értékét, ill. a pótvíz minőségét növelni, mivel az jelentéktelen mértékben csökkenti a pótvízigényt.

ε=

Qp cR = c p Q p − QVp

Adott rendszer esetében, hogy hígításos, vagy vízkezeléses megoldást alkalmazzunk, a vízkészletek mennyiségi, minőségi adottságai és a létesítés költségei, azaz a rendszer műszaki, gazdasági optimum vizsgálata dönti el. Az ismertetett vizsgálati mód alkalmas az üzemi vízhasználati modellek elemeinek kölcsönhatás-vizsgálatára, illetve a célszerűen alkalmazható vízhasználati modell kiválasztására. A vizsgálatot minden – a gyártástechnológiára káros – szennyező komponensre (cn) el kell végezni, és a rendszer vízmennyiségi paramétereit a kritikus szennyező anyag alapján kell meghatározni. A recirkulációs modell egyensúlyi egyenleteinek grafikus megoldását a 44. sz. nomogram tartalmazza.

44. ábra: A rendszer egyensúlyi egyenleteinek grafikus megoldása (Kelemen 1988.) c ε= R cp ε Q p = Qvp ⋅ ε −1 Qvp = 1,173 ⋅ 10 −2 ⋅ Qt ⋅ Δt

IPARIVÍZ

113

6.3. Az üzemi vízhasználati modellek rendszerbe kapcsolása

A legtöbb ipari üzem – különösen a nagy ipartelepek – vízgazdálkodási (vízellátó, vízhasználó és vízelvezető) rendszere igen bonyolult, sokféle vízhasználati és kapcsolati móddal kiépített rendszerből, vagy egymással funkcionális kapcsolatban lévő több rendszerből áll (alrendszerek). Az üzemi vízgazdálkodás, rendszerszemléletű tervezése olyan vízgazdálkodási rendszer kialakítása, amelyben az alkalmazott vízellátó, vízhasználó és használtvíz elvezető létesítmények – mint összefüggő rendszerelemek, ill. alrendszerek – együttesen az üzem műszaki és üzembiztonsági igényeit, valamint a környező térség vízkészletgazdálkodási és vízminőség-védelmi követelményeit kielégítik, úgy, hogy a költségeik összege (bekerülési és üzemköltsége, a megtérülési időt figyelembe véve), az összes megfelelő rendszerváltozat közül a legkisebb. Tehát a cél egy műszakilag és gazdaságilag optimális üzemi vízgazdálkodási rendszer kialakítása. Az optimum kialakítása céljából a vízhasználati alapmodellek sokféle kapcsolási lehetőségét szükséges vizsgálni. 6.3.1. Az üzemi vízhasználati rendszer-változatok kialakítása

Az ipari üzemek vízgazdálkodási rendszerei két vízhasználati alapmodell (átfolyó és recirkulációs) különböző kapcsolási változataiból épülnek fel. Párhuzamosan kapcsolt átfolyó vízhasználati rendszer (45. ábra) alkalmazása esetén, ha a vízhasználók vízminőségi igénye jelentősen eltérő, az a/ változat a célszerű rendszer változat. Amennyiben a vízminőségi igények közel azonosak, a b/ változat a célravezető.

45. ábra

IPARIVÍZ

114

Frissvíz-hiány esetén az átfolyó vízhasználatokat sorba kapcsolják és a vízmennyiségi és minőségi igényektől függően közbenső tisztítással vagy anélkül üzemeltetik (46. ábrák).

46. ábra: Sorbakapcsolt átfolyó vízhasználatok Jelentős vízigény és frissvíz-hiány esetében alkalmazzák a recirkulációs vízhasználatokat (47. ábra). A visszaforgatás hagyományos és legegyszerűbb módja a részleges recirkuláció, amikor a használt vízből csak annyit forgatnak (30-50-70 %-át), amennyi hiányzik a friss vízből, illetve amennyivel kezelés nélkül vagy minimális kezeléssel és jobb minőségű friss víz keverésével az igényelt vízminőséget képesek előállítani. Ez a megoldás a nyitott recirkuláció klasszikus formája. Nyitott recirkulációnak nevezzük azt a vízforgatást, amikor a frissvíz-hiány vagy gazdaságossági okokból az összes használt vizet visszaforgatják, és általában csak az oldott szennyezések egyensúlyban tartása céljából szükséges vízmennyiséget bocsátják le (QVl), a veszteségeket pedig kellő mértékben kezelt friss vízzel pótolják (Qf). Ebben az esetben a forgatott víz kezelése is gyakran szükséges. Hűtővízrendszerek esetén egyre többször alkalmaznak zárt recirkulációt, ha a frissvízbeszerzés lehetőségei igen szűkösek, vagy ha a kibocsátandó szennyvizek minőségével szemben magas minőségi követelményeket támasztanak, ill. ha az így szükséges csekély pótvíz (elcsöpögő veszteségek) beszerzése és fokozott kezelése olcsóbb, mint a nyitott rendszer számára szükséges nagyobb mennyiségű pótvíz beszerzése, kezelése és a lebocsátott víz tisztítása. Nagy hőterhelésű hűtővízrendszerek esetén alkalmazzák a kétkörös recirkulációt. Az első kör (primer kör), a technológiából zárt recirkulációban elszállítja a fölös hőt, sótalan vizet tartalmaz és csak hővel szennyeződik. A sótalan víz egy hőcserélőben átadja hőjét a második (secunder kör) nyitott recirkulációban keringő hűtővíznek. A jelentkező veszteségeket mindkét körben pótolni kell (a primer körben az elcsöpögő, a secunder körben a párolgási, szivárgási és kezelési veszteségeket).

IPARIVÍZ

115

47. ábra. Recirkulációs vízhasználati körök

116

IPARIVÍZ

Recirkuláció esetén, a közel azonos vízminőséget igénylő vízhasználókat egy üzemen belül párhuzamosan kapcsolják, közös recirkulációs rendszerbe (48. ábra). Az egységes vízminőséget és –nyomást, az egyes vízhasználók igényeinek optimális összehangolásával határozzák meg. Az egyes túlszennyező vízhasználók használt vizét előkezelésnek kell alávetni. („C” vízhasználó).

közös recirkuláció

önálló recirkulációk

48. ábra: Párhuzamosan kapcsolt recirkulációs körök Jelentősen eltérő vízminőségek és nyomások esetén vízhasználóként önálló recirkulációt alkalmaznak, és a pótvízellátást párhuzamosan kapcsolva lehet megoldani (49. ábra).

117

IPARIVÍZ

49. Ábra. A különböző vízminőségi igényű vízhasználók önálló recirkulációja esetén a recirkulációs körök pótvízellátását lehet sorba kapcsolni. A legmagasabb minőségű kört az elejére, a legalacsonyabbat a végére kötve. Itt az alacsonyabb vízminőségi igényű kör pótvízigényét a magasabb igényű kör lebocsátott vizéből biztosítják. Ezzel a megoldással a recirkulációs körökben elérhető vízminőség, ugyanazon pótvíz mennyiség és –minőség esetén kedvezőbb, mint ami a párhuzamos kapcsolással elérhető. Az üzemen belül általában vegyesen alkalmaznak átfolyó vagy recirkulációs vízhasználatokat, amelyek a rendszerbe mind párhuzamosan mind sorosan kapcsolhatók (50. ábrák).

Párhuzamosan kapcsolt 50. ábra. Vegyes modellek

Sorba kapcsolt

IPARIVÍZ

118

A felsorolt üzemi vízgazdálkodási rendszerek és kapcsolási módok csupán alapesetek. A valóságban számos, az előbbi változatok kombinációi találhatók meg. A kialakítás módja függ: a vízhasználó technológiák vízmennyiségi és minőségi igényétől, a környezet vízkészlet adottságaitól, a víz- és szennyvíz kezeléstechnológiák műszaki, gazdasági lehetőségeitől, az üzembiztonsági követelményektől,

7. ÜZEMI HŰTŐVÍZ RENDSZEREK KIALAKÍTÁSA

Figyelembe véve, hogy az ipar összes vízigényének kb. 90 %-át hűtési célra igényli, érthető, hogy nagyobb terjedelemben kell foglalkozni a hűtővízrendszerek ésszerű és gazdaságos kialakításával, mint az egyéb célú vízhasználatokkal. A hűtővizek hatalmas tömegét tekintve teljesen egyértelmű, hogy a jelenlegi és jövőbeni nemzetgazdasági célkitűzést – a takarékos ipari vízgazdálkodást – a legeredményesebben ezen a területen kell megvalósítani. Természetesen ismeretes, hogy az ipari üzemek a hűtővizek jelentős részét már ma is forgatják, vagy ismételten használják egyéb célra. Azonban azt is meg kell állapítani, hogy egyrészt még igen sok lehetőség van e téren is kihasználatlanul, másrészt a hűtővízrendszerek kialakítása és üzemeltetése – az igen nagy vízhasználók kivételével (erőművek, vegyipar, olajipar) – nem kellően szakszerű. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy az üzemi hűtővízrendszerek létesítése és üzeme, közel sem optimális. Szükséges továbbá a szakemberek figyelmét külön felhívni, arra az egyébként közismert tényre, hogy a hűtővíz hatalmas mennyiségű hőenergiát szállít, aminek ésszerű és gazdaságos hasznosítása a jövőben az energiagazdálkodás és vízgazdálkodás együttes feladata. 7.1. Hűtővíz ellátó típus modellek

Egy hűtővízrendszer kialakítását alapvetően befolyásolják a rendszerrel szemben támasztott ipari igények, a környezeti adottságok, ill. kritériumok és a rendszerelemek műszaki lehetőségei. Mindezen műszaki lehetőségek közül azonban azoknak a lehetőségeknek az összességét kell kiválasztani, amely az ipari igények és környezeti kritériumok biztosítása mellett a legkisebb költséget igényli, tehát optimális. A rendszer minden elemének célját, funkcióját, végrehajtandó feladatát (kiinduló és végadatát) a rendszerben elfoglalt helye alapján a rendszer tervezője határozza meg. A hűtővízrendszerek többféle szempontból csoportosíthatók (a felhasznált friss víz, a kibocsátott használt víz, a vizet érő szennyezések, a rendszer zártsága, a hűtési feladat, a hűtési hőfokzóna, a víz újra használatának mértéke stb. alapján). A kialakításra leglényegesebb paraméterek együttes figyelembevételével a következő, leginkább alkalmazott rendszertípusok különböztethetők meg (csak a hőszennyezést figyelembe véve). Frissvíz- hűtésű (átfolyó) rendszer (51. ábra) amely a vízhasználó technológia teljes vízigényét a vízbázisból (folyó, tó, felszín alatti víz) szerzi be. Használat után a vizet a

IPARIVÍZ

119

befogadókba bocsátja (kezelés nélkül csak abban az esetben lehetséges kibocsátani, ha a hő, vagy egyéb szennyezési értékei a befogadóra megszabott szennyezési kritériumokat nem haladják meg).

51. ábra: Frissvizes (átfolyó) hűtés Frissvíz-hűtésű rendszer utóhűtéssel (52. ábra) A rendszer vízhasználati módja azonos az előző típus rendszerével, de a nagymértékű hőszennyezés miatt utóhűtőt kényszerül alkalmazni. A víz visszahűtésének mértéke általában nem azonos a technológiában felvett hőmennyiséggel, hanem azt a befogadó terhelhetősége határozza meg.

52. ábra: Frissvíz hűtésű rendszer, utóhűtővel

Részáramos vízvisszaforgató kör (53. ábra) Ez a hűtőrendszer ott alkalmazható gazdaságosan, ahol a folyó vízhozama, illetve a folyókból kivehető vízmennyiség állandóan vagy időszakosan nem elegendő az átfolyó (frissvíz-hűtésű) rendszer kialakítására. A hiányzó rész (30-50-70 %) pótlására

IPARIVÍZ

120

részáramban vízvisszaforgató rendszert alkalmaznak, valamilyen vízvisszahűtő berendezés (nyitott hűtőtorony v. cella) közbeiktatásával.

53.ábra: Frissvíz hűtés, részáramos visszaforgatással A rendszer egyensúlyi vizsgálata közönséges nyitott recirkulációs rendszerként végezhető el. Nagy mennyiségű lebocsátást és az ehhez tartozó nagy vízpótlást alkalmazva, ahol a besűrítés igen csekély, a frissvízhűtésű rendszerekhez hasonlóan a friss vizet nem szükséges kezelni. Nyitott recirkulációs hűtővíz kör (54. ábra) nagy hűtővízigény és szűkös frissvízbeszerzési lehetőségek esetén általánosan alkalmazott hűtővízrendszer. Nyitott a hűtőtoronyban, az esetleges tározókban és felületi hőcserélők esetén a technológiai hűtőknél. A rendszer vízmennyiségi-, minőségi-, és hőmennyiségi egyensúlyi viszonyai a tárgyalt egyensúlyi egyenletek szerint vizsgálhatók.

54. ábra: Nyitott recirkulációs hűtővíz kör A nyitott recirkulációs hűtővízrendszerek tulajdonképpen átmeneti rendszerek az átfolyó rendszer és a zárt recirkuláció között. A részáramos visszaforgatás, a kezeletlen pótvizet használó teljes recirkuláció, a részlegesen vagy teljesen lágyított pótvízzel üzemelő nyitott recirkulációk, az átfolyó

IPARIVÍZ

121

rendszerekből a zárt recirkulációs rendszerhez való fokozatos közelítést jelentik. Ez azt jelenti, hogy egyre kevesebb friss vizet igényel a technológia hűtési művelete, amit viszont csak a pótvíz egyre fokozottabb kezelése árán lehet elérni. Tehát a vízmennyiséget vízminőséggel ki lehet váltani. A recirkulációs körben a víz visszahűtése többféle módon végrehajtható. Leggyakrabban ventillációs hűtőcellában vagy természetes huzatú hűtőtornyokban végzik. Speciális esetekben (kedvező környezeti adottság, rendelkezésre álló terület, ill. természetes tó) alkalmaznak hűtőtavat is, a hűtés fokozására esetleg kibővítve szóróhűtőkkel (55. ábra). A hűtőtavak hatásfoka azonban még fokozottabban függ az időjárási viszonyoktól (légmozgás, páratartalom stb.), mint a természetes huzatú hűtőtornyok esetében.

55. ábra: Hűtőtavas, nyitott recirkulációs hűtővíz kör Csekély vízvisszahűtési feladatra, alkalmaznak még ún. hűtőmedencét is, esetleg szóróhűtéssel együtt (56. ábra). Ez a műszaki megoldás azonban hőtechnikai szempontból kedvezőtlen hatásfokú, nagy helyigényű és költségesebb a jelenleg rendelkezésre álló kis hűtőtornyoknál. A hűtőcellák, a hűtőtornyok és a hűtőtavak kialakítására és tervezésére vonatkozó szempontokat és méretezési elveket a 5.5. pont tárgyalja.

56. ábra: Hűtőmedencés, nyitott recirkulációs hűtővíz kör Léghűtéses zárt recirkulációs hűtővíz kör: A hűtővízrendszer teljes zárásának feltétele, hogy a rendszerben gyakorlatilag sótalan víz keringhet és a rendszer sem a pótvízből, sem a vízvisszahűtőből (léghűtő), sem a rendszer egyéb műtárgyaiból (talajvíz-infiltráció), sem pedig a technológiából nem szennyeződhet. A zárt kör elszennyeződésekor (az észlelés után) az üzem leállítása, a rendszer ürítése és a sótalan víz ismételt feltöltése következik.

IPARIVÍZ

122

A 57. ábrán feltüntetett zárt körös hűtővíz modell erőművi keverőkondenzátor hűtésére szolgál. A kondenzátum és hűtővíz keverék meghatározott része kazántápvíz célra, a többi része hűtővízként visszahűtésre kerül. A visszahűtést lemezbordás víz-levegő hőcserélőkkel, hűtőtoronyban vagy hűtőcellákban végzik. A hűtővíz minősége tehát megegyezik, a kazántápvíz minőségével. Az elcsöpögő víz utánpótlása pedig szigorú sótalanítási követelmények kielégítése mellett történik.

57. ábra: Léghűtéses, zárt recirkulációs hűtővíz kör (keverő kondenzátor ) Zárt körös hűtőrendszert alkalmaznak természetesen nemcsak keverőkondenzátorok, hanem egyéb folyadék-szilárd anyag hőcserélők esetében is. A zárt körös hűtők igen jelentős előnye a nyitott hűtőrendszerekkel szemben, hogy nem jelentkezik pótvízigényként a nagy mennyiségű elpárolgó víz (konvektív hűtés). A rendszer pótvízigénye a vízforgalom 0,01 – 0,02 %-a szemben a nyitott rendszerekkel, ahol a pótvíz a vízforgalom 1,5 – 2,0 %-a. Hátránya viszont, a magasabb fajlagos költségen kívül, hogy a víz visszahűtésekor elérhető hőmérséklet magasabb a nyitott hűtőelemekkel elérhetőnél (száraz levegő és nedves levegő hőmérséklete közti különbség).

Kétkörös, recirkulációs hűtővíz modell (58. ábra) A rendszer elnevezésének megfelelően két hűtővízkörből áll. Az első kör (primer), ami a technológiában a hűtést végzi, zárt, sótlan vízzel működő kör, hőjét egy víz-vizes hőcserélőn adja át a második (secunder) nyitott vízkörnek. Alkalmazásuk több esetben is szokásos, pl. ha a folyékony termék hűtőeleme meghibásodhat és feltétlenül szükséges a környezetet a veszélyes szennyezéstől megóvni (radioaktív anyagok, toxikus anyagok hűtése stb.). Használják ezt a rendszert akkor is, ha a hűtött terméket kell megóvni a víz szennyezéseitől. Találunk még az iparban duplakörös hűtőrendszert ott is, ahol a hűtőelem tisztán tartása jelentős technológiai érdek (pontos hőfokszint tartási követelmény). A primer kör elcsöpögő vízveszteségeinek utánpótlását sótalanított vízből biztosítják. A secunder kör általában közönséges nyitott hűtővízkör. A beszerzett pótvizet minőségétől és mennyiségétől függően, kisebb, vagy nagyobb mértékben kezelik (mészlágyítással vagy csak ülepítéssel).

IPARIVÍZ

123

58. ábra: Kétkörös recirkulációs hűtővíz modell Zárt recirkulációs hűtővíz modell, kívül nedvesített hűtőelemekkel (59. ábra) A zárt recirkulációs rendszerben, lemezbordás felületen, léghűtéssel biztosítják a hűtendő gőz, gáz, folyadék hűtését vízveszteség nélkül. Az előző hűtőtípus ismertetésekor a hátránya nyilvánvalóvá vált. A hőátadás, a lemezborda okozta hőrés, valamint a száraz levegő hőfoka miatt mérsékeltebb a visszahűtési hőfoka, elmarad a nedves hűtőkétől. Ezt a hátrányt kívánják csökkenteni a hűtőelem külső felületének vízzel való permetezésével. Ezáltal a visszahűtési hőfok, a nedves hűtőtornyokhoz hasonlóan, a levegő nedves hőmérsékletét közelíti. A berendezés üzemeltetésének nehézsége között szerepel azonban, hogy a permetezett vizet lágyítani, ill. sótalanítani szükséges, ellenkező esetbe a hűtőfelület vízkövesedés miatti karbantartása jelentős munkát és költséget igényel (esetleg megoldható a vízpermet inhibitoros kezelésével is).

59. ábra: Nedvesített lemezbordás, zárt recirkulációs hűtővíz modell

Nyitott és zárt hűtésű recirkulációs hűtővíz kör (60. ábra) Az előző pontban tárgyalt üzemeltetési nehézségeken javít a kombinált hűtőrendszer. A keresztáramú hűtőtorony vagy cella két hűtőelemmel rendelkezik, a légáramban sorba kapcsolva, kívül egy hagyományos nedves permet vagy lamellás hűtő, belül pedig zárt lemezbordás hűtőelem. A vízfüggönyön átáramló, páradús levegő alacsonyabb (nedves) hőmérséklete hatására a zárt hűtő hatásfoka megnövelhető anélkül, hogy a lemezbordás hűtő felülete elvízkövesedne.

IPARIVÍZ

124

60. ábra: Nyitott és zárt hűtésű, recirkulációs hűtővíz kör Elgőzölögtető hűtésű, hőhasznosító hűtővíz kör (61. ábra): Az ipar ezt a hűtési módot a nagy hőterhelésű hűtőelemek (kohászati szerelvények, vegyipari termékek hűtése) esetén alkalmazza. Az elgőzölögtető hűtővízrendszerrel megvalósítható a nagy hulladékhő hasznosítás is. Lényege, hogy a hűtési feladatot a hűtővíz átáramoltatása közbeni elgőzölögtetéssel, tehát állapotváltoztatással oldja meg. Ily módon 1 kg vízzel nem 21-63 kJ (5-15 kcal) hőmennyiség vonható el – mint az a vizes hűtések esetében szokásos – hanem a víz rejtett hőjének megfelelően kb. 2416 kJ (577 kcal) hőmennyiség távozik. Vízgazdálkodási szempontból ez még akkor is nagy előny, ha a termelt gőzt a szabadba engednék. Általában azonban erre nem kerül sor, mivel az így nyert gőz az üzemekben az ipari kazánokból nyerhető gőz helyett használható. Az elgőzölögtető hűtőrendszerben felhasználható víz normál kazántápvíz minőségű. Erre a célra ioncserélőn lágyított, termikusan gáztalanított, kb. 0,05 nk° keménységű 0,0 lebegőanyag-tartalmú 0,5 mg/l olajtartalmú víz megfelelő. Az elgőzölögtető hűtésnek hazánkban leginkább a nagy hűtővízfogyasztó kohászati iparban van jelentősége, ahol ezt a hűtést a nagy tűztérhőmérsékletű kemencék egyes acélszerkezeti elemeinek hűtésénél lehet alkalmazni, a korábbi átfolyó vízhűtés helyett. Az itt fellépő nagy hőterhelésekre jellemző, hogy például egy Martin-kemence egyetlen berakóajtó keretében (a kemencetípus és nagyság függvényében) óránként 300-1500 kg gőz termelhető. Ilyen nagy hőigénybevétel mellett érthető, hogy az elgőzölögtető hűtés tartósabb és üzembiztosabb hűtést ad, mint bármely vízközegű hűtés. Az ellenőrzött jó minőségű lágyított tápvíz ugyanis az elgőzölögtető hűtőrendszer hűtőelemeit tisztán tartja, észrevehető vízoldali lerakódások nincsenek, ezenfelül a forrásban lévő víz hőátadása kis vízsebességek esetén is igen jó. Az / α / hőátadási tényező egy nagyságrenddel nagyobb, mint a hidegvizes hűtésnél. Ezáltal biztosítható még a hűtött fal belső felületének gyakorlatilag is egyenlő hőmérséklete. Felépítésében az elgőzölögtető hűtőberendezés nem más, mint egy olyan különleges gőzkazán, amelynek fűtőfelületeit a kemence hűtendő elemei alkotják. Jelentős szerep jut az elgőzölögtető rendszerű hűtésnek a vegyiparban is. Erre a hűtési feladatra különleges kazánokat alkalmaznak, amelyek fűtőanyaga nem más, mint a lehűtendő technológiai gáz. Ezeknek a kazánoknak a fűtőfelületei általában csöves rendszerűek és hőcserélőkhöz hasonlítanak. Az elgőzölögtető hűtés ipari alkalmazása egyrészt jelentős vízmegtakarítást okoz, másrészt – a nagy mennyiségben termelt gőz felhasználása révén – a technológiai folyamat gazdaságosságát jelentősen növeli.

125

IPARIVÍZ

Az elgőzölögtető hűtőrendszer kétféle típusát alkalmazzák természetes keringésű kényszer keringetésű rendszer

61. ábra. Elgőzölögtető hűtésű, hőhasznosító hűtővíz kör Közvetlen léghűtésű rendszer (62. ábra): Az 1950-es évekig gyakorlatilag csak a belső égésű motorok szerkesztésénél alkalmaztak közvetlen léghűtést. 1948-ban épült az első közvetlen léghűtésű olajfinomító Texasban. Ugyancsak ezekben az években épültek erőművek részére is közvetlen léghűtésű kondenzátorok (GEA-rendszerű légkondenzáció). Későbbiekben már hűtővíz-gazdálkodási szempontból vetették fel a léghűtés alkalmazását. Így az említett olajfinomítók, illetve erőművek léghűtését elsősorban vízmegtakarítási okokból építették, vállalva az ezekkel a berendezésekkel kapcsolatos többlet költségeket is. Azóta elsősorban az olajfinomítók területén terjedt el a léghűtés. Már úgyszólván valamennyi fejlettebb ipari országban építettek léghűtésű olajfinomítót. A léghűtés alkalmazható mindazokon a helyeken, ahol a szerkezet, illetve a folyékony vagy légnemű termék lehűtésére szolgáló készülék olyan bordákkal látható el, amelyen a levegő megfelelő hőelvonást tud biztosítani. Előnyösen alkalmazható a levegőhűtés ott, ahol a hőelvonási hőmérséklet viszonylag magas. Ezen utóbbi körülmény indokolja elsősorban, hogy az erőművi alkalmazásban a közvetlen léghűtés csak lassan terjed.

62. ábra: Közvetlen légkondenzáció 7.2. A hűtővíz minősége

A különböző ipai hűtési célokra használt vizekkel szemben támasztott minőségi követelmények igen tág határok között változnak. A hűtővizek minőségi követelménye függ a hűtőtechnológiától, a hűtőelem kialakításától és rendszerétől, a hűtési üzemmódtól, a környezeti, éghajlati, időjárási viszonyoktól. Jelentős különbséget kell

IPARIVÍZ

126

tenni a hűtőtechnológiában részt vevő hűtővíz és az ismételten felhasznált vizek veszteségeink pótlására szükséges póthűtővíz minőségi követelményei között. Tehát a hűtővíz igényelt minősége nagymértékben függ az említetteken túl az alkalmazott vízhasználati modelltől, illetve a kialakított hűtővízrendszertől. A hűtővizek minőségére az eddigi tervezési és üzemviteli gyakorlat túlnyomórészt csak csekély gondot fordított. Ezért a hűtőtechnológiákban gyakran következik be hűtési hatásfok-romlás, a hűtőelemek kiégése, a felmelegedő berendezések tönkremenetele, valamint a vízvisszahűtő tornyok, cellák, a hűtővízrendszer nyomócsöveinek, csatornáinak és egyéb műtárgyainak elrakódása, dugulása vagy korrodálása. Tehát számos üzemzavar forrása a nem kielégítő vízminőség megválasztása, ill. biztosítása. 7.2.1. A hűtővíz lebegő szennyeződései A hűtőelemekben lerakódó lebegőanyag (fouling), amelyek lehetnek szerves vagy ásványi eredetűek, a hőátadó falon – a lerakódás függvényében – jelentős hőszigetelő hatást fejtenek ki. Az üledék hővezetési tényezője ugyanis (λ) több nagyságrenddel kisebb, mint a hűtőelem faláé. (A hűtőelem-kiégések elsősorban a hidraulikailag nem megfelelően kialakított pangóterekben, zugokban következik be.) A hűtőelemek vízoldali kialakításakor alapvető követelmény tehát a hidraulikai szempontból kedvező, szennyezéseket biztonságosan lebegésben tartó áramlási sebesség biztosítása. A vízben lévő kisebb szemcsés anyagokat – amelyeknél még nem érvényesülnek a kolloidális és molekuláris erőhatások – a Stokes-féle ülepedési törvények szerint ülepednek. A gyakorlati mérések alapján, a hazai felszíni vízfolyásokból nyert vizek kis-és középvízi lebegőanyag-tartalmához (25-30 mg/l) tartózó szemcsék, ill. pelyhek (szerves szennyezések) nyomócsövekben vagy gravitációs csatornában, 30-40 cm/s vízsebesség alatt kezdenek kiülepedni, lerakódni. A lerakódás mértéke azonban nem köthető kizárólag az áramló víz sebességi értékeihez, mivel ugyanazon víz mozgása esetén is jelentős mértékben eltérő lerakódások tapasztalhatók. A lerakódás mértéke függ a víz csőtengely irányú mozgási sebességén kívül: a turbulencia mértékétől, a lebegő anyagok összetételétől (szerves pelyhek, olajok, zsírok stb.), a vízben lefolyó kémiai reakcióktól (HCO-3, CO3-bomlások, egyéb kőkiválások stb.), mikrobiológiai szervezetek jelenlétének mértékétől, a vízben lévő számos oldott szennyezéstől (koagulálószerek, diszpergálószerek, szerves bomló anyagok stb.). A víz hordalékait lebegésében tartó turbulencia, pulzálás, csavarmozgás, lökéshullám, irányváltozásból eredő centrifugális erők stb. mértéke, a víz mozgási sebességén túl, nagymértékben függ az áramlási tér ill. a lehatároló falak kialakításától. Tehát a vízben lévő különböző anyagú és méretű lebegőanyagok lebegésben tartásához különböző vízsebesség elérése szükséges. A leülepedett lebegőanyag-szemcse falhoz kötődése, tapadása további feltétele annak, hogy a falon lerakódás keletkezzék (fouling). A leülepedett, ill. falhoz kerülő hordalékszemcse tovább sodródása ellen dolgozik, tehát a megtapadást segíti elő a vízszintes és mélypontokon, felületeken a gravitációs erő, -

IPARIVÍZ

-

-

-

-

127

a víznél kisebb sűrűségű szemcsék esetén az elem felső terében a fedő szektoron szintén a gravitációs erő: (felúszás), az egész falfelületen a tapadóerő (adhézió), amely származik a szemcse anyagának különböző tulajdonságaiból (pl. az olaj-, zsírdiszperzió, vagy azzal bevont szilárd szemcsék), a szerves szemcsék, amelyek jó része a fémfelületekhez nagyobb erővel tapadnak, továbbá azok a szemcsék, amelyek hőhatásra meglágyulnak, megolvadnak, alakváltozást szenvednek, tehát vízáram felőli felületük áramvonalas, azaz a legkisebb ellenállású alakot veszi fel, amely az elsodrás ellen védi, és ez tapadóágya lesz a többi szilárd szemcséknek is, a vízben lefolyó kémiai reakciók, bomlások, amelyek eredménye a csapadék tömör kristályos szerkezetű lerakódása, ami az elem fémfalához köt (scale) és egyben a kiülepedett egyéb szemcsét is a falhoz cementálja (CaCO3, CaSO4 stb.), a hűtőelem magas falhőmérséklete miatt, a vele érintkezésbe bekerülő szerves szemcsék, pelyhek a falra égnek (olaj-, zsír kokszosodása, és egyéb szivacsos égéstermékek stb.).

Az előzőekben felvázolt hatásokból világossá válik, hogy a hűtőelemekben a lebegőanyagok kiülepedését megakadályozó, lebegésben tartó vízsebesség egzakt meghatározása nem lehetséges. Az e célt szolgáló, igen sokváltozós összefüggésnek ugyanis számos adata ismeretlen, meghatározhatatlan. Éppen ezért csak a gyakorlati ismeretekre lehet támaszkodni. A tervezés és üzemeltetés igen fontos feladata azonban a lebegő hordalék falhoz tapadását előidéző hatások minél fokozottabb kizárása. E célból szem előtt tartandó ideális körülmények: a hűtőelem vízterének hidraulikai szempontból kedvező kialakítása, (adott hűtőelem típus hűtővizében lévő lebegőanyagok lebegésében tartásához szükséges vízsebességek biztosítása) tapadó lebegő szemcsék minél fokozottabb mértékű eltávolítása vagy kizárása, a hűtőelem magas falhőmérséklete esetén a falra égő szervesanyag-szemcsék és pelyhek minél fokozottabb eltávolítása. Megállapítható tehát, hogy ha az említett ideális körülményeket kívánjuk biztosítani, akkor a hűtővíz minősége megközelíti az ivóvíz tisztaságát. Közismert azonban, hogy ennek előállítása igen nagy létesítési és üzemeltetése költséget igényelne. A gyakorlat bizonyította, hogy ezt az ideális vízminőséget nem szükséges biztosítani, illetve az említett feltételek közül, ha pl. hidraulikai szempontból kedvező hűtőelemet alakítunk ki, ill. alkalmazunk, lényegesen nagyobb lebegőanyag-koncentráció is megengedhető. Ezért a 9. táblázatban ismertetett, a hűtővízben megengedhető lebegőanyag-szennyezések értékhatárai ezen feltételrendszer figyelembevételével készült. A táblázatban foglalt lebegőanyag-szennyezések értékei, a jelen gyakorlatban alkalmazott hűtőelem típusok és alkalmazott vízsebességek figyelembevételével általában alkalmazható maximális határok.

IPARIVÍZ

128

A hűtővizek megengedhető átlagos lebegőanyag-koncentrációi 9. táblázat Elgőzölög- Táska-, Felületi CsőCsőkigyós tető és szekrényhűtő Lebegőköteges csőspirá(permetező, szennyező Kezelési igény zárt körös és üreghűtőknél los hűtők hűtés hűtőknél keverő) anyag mg/l Szilárd, homokfogás szemcsés ülepítés 1-2 10-15 40 50-60 80-100 és pelyhes derítés 5-10 x 20 x 25-30 x 50-60 x szennye- homokszűrés zések derítés+szűrés Olaj-, zsír- olajfogás szennye- flotálás zések homokszűrés 1 5-10 20 20 60 (diszperz szénszűrés v. 10-15 x 10-15 x 10-15 x és egyéb finom emulgált) kinyerés

Megjegyzés: 1. Az x-el jelölt művelet nagy hőterhelésű hűtőelem esetén. 2. A feltüntetett szennyezőanyag-koncentráció feletti érték alkalmazása esetén a hűtőelemek, ill. hűtővízrendszerek mosása (tisztítása) évente 1-2 alkalommal nem elegendő. A további mosások gyakorisága a túlszennyezés mértékétől függ. A lebegő szennyezések minőségi követelményeit gyakran jelentős mértékben lehet csökkenteni, ha a recirkulációs hűtővízkörbe olyan diszpergáló vagy pelyhesítő vegyszereket (tannin, lignin, polimerek stb.) adagolunk, amelyek megakadályozzák a szemcsék kiülepedését, feltapadását. Az egyes vegyszerek adagolása a lebegő szennyezések fajtájától és koncentrációjától függ (2-30 mg/l). Az alacsony falhőmérsékletű hűtőelemekben és a recirkuláltatott hűtővízrendszerekben további, gyakran igen jelentős lerakódások forrása a makro-és mikrobiológiai szervezetek. A hűtőrendszer zárt szerkezeteiben és a hűtőelemekben egyrészt a kagylók, csigák és más vízi élőlények káros elrakódásokat okoznak, másrészt a különböző nyálkaképző és korróziót okozó baktériumok (vasbaktériumok, szulfátredukáló baktériumok stb.) szaporodnak el. Elsősorban a rendszer nyitott fényérte elemein telepszenek meg egyes algafajták. Az algákra jellemző, hogy autotróf élőlények, tehát szervezetüket a fényből nyert energiával szervetlen elemekből (pl. CO2) építik fel. A sejttermékük különböző szerves anyagok (szénhidrátok, zsírok, fehérjék). Az algák megtapadásukon túl kedvező megkötési lehetőséget biztosítanak az egyéb szemcsék számára. Az elpusztult algafoszlányok pedig a vízrendszer lebegő szennyezéseit növelik. A lebegőanyagok kinyerésére alkalmazott kezelési technológiától függően, a recirkulációs rendszerbe visszakeringetett víz egy bizonyos határszemcse méret alatti szennyezéseket folytonosan magával visz. Tehát a finom lebegőanyagok, pl. ülepítés esetén a d = 10-30 μm méretűek, amelyek nem ülepíthetők, a rendszerben feldúsulnak, az oldott sókhoz hasonlóan. Elméletileg a rendszerben ezeknek a szemcséknek az egyensúlyban tartása csak (az egyensúlyi egyenlettel számítható) lebocsátással (iszapolással), vagy derítéssel biztosítható.

IPARIVÍZ

129

A hagyományos vegyszerek adagolása a hűtővízkörben növeli a sókoncentrációt, ami az előbbi fokozott lebocsátási veszteségekhez és egyben a befogadó szennyezéséhez vezet. Ezért egyre sűrűbben alkalmaznak szerves derítő- és diszpergálószereket, amelyek a rendszerben nem dúsulnak fel, mert egy idő után lebomlanak. A derítőszerek alkalmazásának előzőekben ismertetett nehézségei miatt egyre inkább terjed az iparban különösen a szennyeződő hűtőköröknél a részáramban vagy teljes áramban alkalmazott homokszűrés (nagy sebességű szűrők). 7.2.2. A hűtővíz olajszennyezése A hűtővizek vagy üzemszerűen, vagy nem kielégítő üzemvitel miatt, gyakran szennyeződnek olajjal, zsírokkal. Az olaj- és zsírszennyezésnek következő káros hatásai tapasztalhatók: az olaj a lebegő anyagokhoz kötődik, és azok kiülepíthetőségét csökkenti, az olajjal szennyezett szemcsék a hűtőelemek falán és a vízrendszer más pontjain megtapadnak és igen gyorsan képesek jelentős lerakódást, esetleg dugulást előidézni, a hűtőelemben az olaj okozta lerakódás nagymértékben rontja a fal menti hőátadást, a nagy hőterhelésű hűtőelemekben, jelentős olajszennyezés esetén (30-40 mg/l felett az olaj a falra ég, kokszréteg képződik, kiváló hőszigetelő. A víz olajszennyezései kezelhetőség szempontjából többféle formában találhatók: a víz felszínén olajlepel, a vízbe keveredve nagyobb cseppes olajszennyezés, finomabb cseppes szennyezés, természetes emulzió, emulgálószerek hatására keletkező emulzió, a víz lebegő szennyezéseihez tapadt olajszennyezés. Amennyiben az olaj és zsír a vízbe kerül, azonnal cseppes, diszperz szennyezésként halad tovább. A víznél általában kisebb sűrűsége miatt egy része a felszínre úszik és ott a szennyezés mennyiségétől függően vékonyabb, vagy vastagabb olajlepel formában helyezkedik el. Eltávolítása különböző olajfölözőkkel történik. A cseppes olaj eltávolítása a közepes és nagyobb cseppek esetében (d = 80-100 μm) a felúsztatás Stokes-törvény elvén működő hosszanti, radiális és spiráláramlású, ill. a lemezes és csőköteges olajfogók segítségével történik. A víz turbulens áramlása, valamint az átemelő szivattyúkban az örvénymozgás a nagyobb olajcseppeket egyre finomabb szemcsékre tépi és jelentős része finom diszperz szennyezés formába kerül. Ezek a szemcsék már – a viszonylag kis sűrűségkülönbség, az igen kis szemcseméret és a határfelületi erők miatt – gravitációs felúsztatással nem távolíthatók el (emulzió). Ezért csak vegyszeres emulzióbontással, flotálással, szűréssel vagy egyéb műveletekkel nyerhetők ki. Az emulzióban lévő olajszennyezés, ha az mechanikai hatásokra alakult emulzió, vegyszerek (alumíniumszulfát, vasszulfát, polielektrolitok stb.) adagolásával vagy pihentetéssel, az emulzió megbontható, cseppesíthető és felúsztatható. Különböző emulgálószerek (pl. a hűtő-kenő folyadékok emulgálószerei, egyes mosószerek) hatására az olaj, zsír stabil emulziót képez a vízzel és megbontása gyakran igen nehéz feladat (különböző emulgálószerek adagolása; Beychok, 1976).

IPARIVÍZ

130

A lebegő szemcsékhez kötött olaj eltávolítása jelentős mértékben sikerül, ha a lebegőanyag-terhelésű vizet flotálással kezeljük. A nagyobb szemcsék ütköztetésével az olajat lesodorjuk és az önálló olajszemcsék felúsznak. Finom lebegőanyag-szemcsék esetében a flotálás igen hatékony művelet, mert az olaj a finom szilárd szemcséknek és pelyheknek a sűrűségét csökkenti és a levegő buborék az olajjal együtt a felszínre emeli és az olajlepelbe tapasztja. Hatásos olajmentesítést a szilárd szemcsék és olaj együttes kiszűrésével lehet elérni. Az olajszennyezések vízből való eltávolításának technológiáját az előző fejezetben tárgyaltuk. A hűtővizekben megengedhető – a gyakorlatban kialakult – olajszennyezési-határértéket a 9. táblázat tartalmazza. 7.2.3. A hűtővíz hidrogénkarbonát (HCO3) szennyezése A hűtővízellátás legjelentősebb vízminőségi problémája a vízkőképződés, illetve a (CO2) korrózió. A hűtőelemek falán keletkezett vízkő ugyanis a hőátadást nagymértékben gátolja, mivel a vízkő hővezetési tényezője több nagyságrenddel alacsonyabb a hűtőeleménél (10. táblázat). Hővezetési tényező értékek (λ) Szerkezeti anyagok W/m°C Réz 320 Alumínium 197 Szénacél 51 Krómacél 34 Krómnikkel-acél 12,5

10. táblázat Vízkőanyagok W/m°C Karbonátkő 6, 0 Szulfátkő 2,0 Szilikátkő 0,2 Olajos karbonát és szulfátkő 0,1

A hűtőelem falhőmérsékletének alakulását a 63. ábra szemlélteti.

IPARIVÍZ

131

63. ábra: A vízkőkiválás hatása a hűtőelem falhőmérsékletére (a hűtött közeg gáz, hűtővíz 40°C, vízsebesség 1,5 m/s) Vízkőképződés a vizes hűtőelemek falán akkor következik be, ha a vízben oldatban lévő sók további oldatban tartásához szükséges fizikai-kémiai feltételek megváltoznak, ill. megszűnnek. A legjelentősebb vízkőképző anyagok a Ca- és Mg-sók. A vízben jelenlévő szabad CO2 hatására pl. a nehezen oldódó CaCO3, jól oldódó hidrogénkarbonáttá alakul, vagy a hőmérséklet-emelkedés hatására eltávozó szabad CO2 a Ca(HCO3)2 felbomlását idézi elő CaCO3 (vízkő) és CO2-re: Ca ( HCO3 ) 2 ⇔ CaCO3 + CO2 + H 2O. Tehát a víz hőmérsékletének emelkedésekor jobbra, hőmérséklet-csökkenés és CO2beoldódás esetén balra folyik le a reakció. Abban az esetben, ha sem kőkiválás, sem beoldódás nem történik, a víz mész-szénsav egyensúlyi állapotáról beszélhetünk. Az egyensúly kialakításában jelentős szerepe van az oldat pH-értékének is. Ezért ha a vízben oldott HCO-3, CO3-- és CO2 van, csak egy hozzá tartozó hőmérséklet és pH-érték esetén van egyensúly. Az előző reakcióegyenletből látható, hogy egyensúly esetén 2HCO-3 oldatban tartásához 1 mol CO2 (44 mg/l) szükséges, amit tartozékos CO2-nek neveznek (64. ábra).

132

IPARIVÍZ

64. ábra: A víz CO2 tartalma Amennyiben a víz ennél több szabad széndioxidot tartalmaz, a víz korrozív, ha kevesebbet, kőkiváló hajlamú. A folyamat bekövetkezésének lehetőségeit először vizsgálta meg Tillman a mészszénsav egyensúlyi elmélete alapján. Eszerint abban az esetben van elméletileg egyensúly, ha CCO2 mért = CCO2 tartozékos ahol a tartozékos C CO 2 számítható: 2 CCO2 tart. = K T ⋅ C HCO − ⋅C Ca ++ 3

KT =

K2 K1 ⋅ K L

Tillman konstans K1 =

C H + ⋅ C HCO − 3

C H 2CO3

szénsav első disszoc. konstansa , K2 =

C H + ⋅ C CO − − 3

C HCO − 3

a szénsav második disszoc. konstansa a kalcium-karbonát oldhatósági szorzata: ,

a

133

IPARIVÍZ

K L = CCa ++ ⋅ CCO −− : 3

(a képletekben a feltüntetett ionok koncentrációja szerepel mol/l-ben, vagy mval/l –ben) Langelier, a Tillman-egyenletből további egyensúlyi feltételt határozott meg. CH =

K 2C HCO − CCa ++ 3

KL

Ezt átalakítva, az egyensúlyi pH érték: pH e = lg K L − lg K 2 − lg C HCO − − lg CCa ++ 3

lg KL - lg K2 = pK = Langelier konstans A hűtővíz tényleges (mért) pH-értéke és az egyensúlyi pHe közötti különbség: a Langelier-féle telítési index (Langelier, 1936): Lt = pHmért - pHe Ha: Lt = 0; a víz egyensúlyi állapotú, Lt = negatív; a víz korrozív, Lt = pozitív; a víz kőkiválásra hajlamos. A Ryznar-féle stabilitási index (Rs) fogalmának bevezetésével (Ryznar, 1944) ugyanezt a célt szolgálja: RS = 2pHe - pHmért Az index, tájékoztató értékelése: Rs = 4…5 - erősen kőkiváló Rs = 5…6 - gyengén kőkiváló Rs = 6…7 - alig kőkiváló vagy korrózív, Rs = 7…7,5 - gyengén korrózív Rs = 7,5…9 - korrózív Rs = 9 fölött - erősen korrózív. pH e = (9,3 + S + T ) − ( K + L)

A pHe meghatározására egy gyors számítási módszert vezettek be (Fitzpatrik). A képletben szereplő tényezők (S, T, K, L) a 11. táblázatból vehetők ki.

134

IPARIVÍZ

Az egyensúlyi pHe paraméterei Összes oldott só mg/l S 50 – 350 0,1 351 – 1100 0,2 Hőmérséklet °C T 0 2 7 10 14 18 22 28 32 38 44 51 57 64 72 82

2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1

Kalcium keménység mekv /l K 0,20 0,6 0,24 0,7 0,28 0,8 0,36 0,9 0,46 1,0 0,56 1,1 0,70 1,2 0,88 1,3 1,12 1,4 1,40 1,5 1,76 1,6 2,22 1,7 2,78 1,8 3,50 1,9 4,60 2,0 5,60 2,1 7,00 2,2 8,80 2,3 11,20 2,4 14,00 2,5 17,40 2,6 21,00 2,7

11. táblázat

Össz. lúgosság mekv/l L 0,20 1,0 0,24 1,1 0,28 1,2 0,36 1,3 0,46 1,4 0,56 1,5 0,72 1,6 0,90 1,7 1,12 1,8 1,40 1,9 1,76 2,0 2,22 2,1 2,80 2,2 3,54 2,3 4,60 2,4 5,60 2,5 7,20 2,6 9,00 2,7 11,20 2,8 14,60 2,9 17,60 3,0

Az előző összefüggések, ill. a 65. ábra segítségével tehát a hűtővíz agresszív, illetve kőkiváló hajlama elvileg meghatározható. A valóságos hajlamot azonban még sok más egyéb tényező (körülmény) is befolyásolja pl: a víz szerves szennyeződése, amely a kőkiválást bizonyos mértékben gátolja, nagy Na-lúgosság, ami a CaCO3 fokozottabb oldását idézi elő, keménységet stabilizáló inhibitorok adagolása, a Cl- és SO 4− − koncentráció. (A vízkőkiválást vagy korróziót gátló vegyszerek, inhibitorok adagolása esetén az ismertetett összefüggések a hűtővíz hajlamára vonatkozó megítélésekre nem alkalmazhatók.)

IPARIVÍZ

135

65. ábra: Langelier és Ryznar indexek grafikus meghatározása (Krause, 1989.) Példa: 1. Ca m = 40 (mekvl/l); 2. t = 30°C; 3. pH'e = 6,6; 4. sótartalom = 700 mg/l; 5. pHk = 0,3; 6. pHe = 3 +5; 7. pHmért = 7,6; 8. Langelier telítési index = 0,7; 9. Ryznal stabilitási index = 6,2; (a rendszer enyhén kőkiváló) Az előzőekből megállapítható, hogy közelítően akkor várható a hűtővízben kémiai egyensúly, ha a szabad CO2-tartalma a tartozékos CO2 közelében van. Amennyiben a hűtőelemben a víz jelentős mértékben felmelegszik (Δt magas), várható, hogy a szabad CO2 egy része, a hőfokemelkedés hatására kiválik. Ennek egyértelmű következménye, hogy a hozzá tartozó Ca hidrokarbonát-rész karbonát (vízkő) formájában kiválik, ami a rendszer falán kirakódik. Ugyancsak CO2-távozás és vízkőkiválás következik be legtöbbször, ha a hűtővíz szabad felszínre, tehát atmoszférikus nyomásra kerül. Adott hőmérsékleten ugyanis az oldatban tartható, ill. beoldható gázok (CO2) mennyisége, a Henry-Dalton törvény alapján a parciális nyomás függvénye: CCO2 = K ⋅ pCO2 α⋅ρ K= p ahol: K - beoldási tényező, - a beoldható CO2 koncentrációja (kg/m3) CCO2 Ρ - a normálállapotú CO2-gáz sűrűsége (2kg/m3) Α - a CO2 Bunsen-féle elnyelési tényezője, (m3/m3) p - a víztérben uralkodó nyomás (Pa).

IPARIVÍZ

136

Pl. ha a víz nyomása atmoszférikus, hőfoka 23°C, az α = 0,76 m3/m3, és a levegőben lévő CO2 parciális nyomása 80 Pa, az oldatban tartható, ill. beoldható CO2 – koncentráció (Lévai, 1964): 0,76 ⋅ 2 CCO2 = 80 = 0,0012kg / m 3 = 1,2mg / l. 5 1⋅10 Vizsgálva egy hűtővízrendszer üzemét, megállapítható, hogy a rendszer ideális üzemi viszonyok mellett is – tehát ha pótvízzel betáplált szennyezéseken kívül más szennyezés nem lép be a rendszerbe – a hőmérséklet és a nyomás ciklikus változásai miatt a mészszénsav egyensúly labilissá válik. A gyakorlatban ilyen, viszonylag ideális viszonyok között, ha nem túlzott a hőmérséklet-ingadozás (Δt < 10-15°C) ha a nyomásváltozás nem jelentős (Δp < 1-3 x 105 pa), ha a hűtővíz karbonátkeménysége legalább 3-4 nk° értékű, ha a vízben mindig biztosítható bizonyos oxigén jelenléte, valamint ha a mészszénsav egyensúly közelítően fennáll, a víztér falán kialakítható egy vékony, ún. mészrozsda védőréteg. A védőréteg kialakulása, amely kellő mértékben csak a meleg felületen tartós, folyóvízből vett pótvizek esetén sokkal gyorsabban biztosítható, mint rétegvizek esetében. Az ezt a hatást előidéző vegyületeket a folyóvízben még eddig nem sikerült felismerni. 7.2.4. A hűtővíz SO4 és Cl szennyezése A hűtővizekbe általában bejutnak a természetes vizek mindazon szennyező anyagai – pótvíz-betáplálás útján – amelyeket nem távolítanak el, vagy igen jelentős ráfordítás nélkül nem távolíthatók el a pótvíz-ellátás folyamán. Ilyen nehezen eltávolítható, recirkuláció esetén besűrűsödő, és ezáltal veszélyes korrózióforrás vagy azt elősegítő anyagok a klorid (Cl-) és a szulfát (SO--4) ionok. A hűtővíz rendszer jelentős mértékben szennyeződik ezekkel az ionokkal a víz kezelésekor alkalmazott vegyszerektől (pl. lágyítás savazással, vagy a vízderítés koaguláló vegyszerei útján). Időszakosan szintén figyelemre méltó a hűtőtornyok levegőjéből beoldott SO2 – szennyezés. A recirkulációs hűtővízrendszerek fokozottabb zárását (a lebocsátás csökkentése) gyakran e két szennyező ion koncentrációja korlátozza (Gábor, 1983). A hűtővízben megengedhető agresszív anyagok határkoncentrációja azonban több tényező függvénye a jelenlevő összes agresszív hatást befolyásoló anyag egymáshoz viszonyított aránya (Cl-, SO4--, NH4+, Mg++, Ca++ stb.), az agresszív hatást korlátozó egyéb vízszennyező anyagok koncentrációja (pl. a HCO3-), a rendszer (szerkezetek) hőmérséklete. az agresszív víz áramlási sebessége (a korrózió a vízsebességgel arányos). Az előzőekben tárgyaltuk a hűtővízrendszert érő leglényegesebb szennyezéseket. A rendszerek egyre fokozottabb zárása miatt egyre kisebb mennyiségű pótvízre van szükség, és egyre kisebb szennyezőanyag mennyiség betáplálása történik ezen az úton. Az ismertetett jelentős szennyezőanyagok nagyobb része egyéb úton kerül a rendszerbe. Ez az egyéb út az eddig szabályozatlan csatlakozópontjai a rendszernek. A nyitott recirkulációs vízrendszerek mennyiségi és minőségi (sómérleg) egyensúlyi viszonyait az utóbbi időben a klasszikus –vizsgálati módszerek csakis a pótvíz és lebocsátás

137

IPARIVÍZ

körében határozzák meg. Az előzőek alapján azonban belátható, hogy a rendszer különböző pontjain a víz minőségét kisebb mértékben befolyásolja a pótvíz minősége, mint az egyéb pontokon (hűtőtorony, ex- és infiltráció, vízhasználó elemek) belépő szennyezések és sokféle egyéb hatások (időjárási tényezők, üzemállapotok, stb.), amelyek együttesen alakítják a rendszer vízminőségét, és teszik alkalmassá vagy alkalmatlanná a rendeltetésszerű használatra az ipari gyártástechnológiákban. Tehát az ipari vízkezelési technológiák kialakításakor nem egy igényelt konstans vízminőség kiszolgálása a feladat, hanem a vízrendszert – különösen recirkulációs rendszerek esetén – amelyet különböző pontokon, különböző szennyezések, és egyéb hatások érnek, egyensúlyban kell tartani, ill. hozni. Ez a feladat túl bonyolult rendszerek esetén már nem valósítható meg, csak a pótvíz kezelésével, ezért egyre sűrűbben alkalmazzák a részáramos vízkezelést. Ez azt jelenti, hogy a teljes recirkuláltatott vízmennyiségnek egy meghatározott hányadát minden körbeforduláskor meg kell tisztítani a káros szennyező komponensek túlnyomó részétől. (12. táblázat) A hűtővizek megengedhető legjelentősebb oldott szennyezései:

Szennyezés

Mértékegység

Karbonátkeménység Klorid Szulfát Ammónia Szerves anyag (KOI) pH érték (közelítő értékek)

nk° mg/l mg/l mg/l mg/l KMnO4 -

12.táblázat Megengedhető szennyezőanyag-konc. hűtővíz-hőmérséklet esetén 25-30°C 30-60°C hűtővíz sebessége a hűtőelemben > 0,5 m/s <0,5 m/s >0,5 m/s <0,5m/s 12-13 8-9 10-11 6-7 100 150 100 150 250 300 250 300 20-25 400 300 400 300 6,0-8,5

7.2.5. Hűtővíz szennyezések a hűtőlevegőből Az ipari üzemek nyitott hűtővíz rendszereiben, az előző részben tárgyalt ideális állapotok a legritkább esetben biztosíthatók. A víz visszahűtésekor ugyanis átlagosan 1 m3 víz 10°C-os visszahűtéséhez mintegy 1000Nm3 hűtőlevegőt kell biztosítani. A levegőben – különösen ipari környezetben – jelentős mennyiségű SO2, CO2, nitrogénoxidok és egyéb gázok, valamint nagy mennyiségű szálló por (aerosol) szennyezés található, amelynek túlnyomó részét a nyitott hűtőtorony vízpermete ill. vízfilmje kimos és magával visz. A levegő portartalmát figyelembe véve a hűtővizet óránként és m3enként 5-15 g porszennyezés éri, ami a technológiai hűtőkörökben gyakran súlyos szennyezést jelent. Még súlyosabb a helyzet a jelzett gázszennyezések területén. A legjelentősebb szennyezés az SO2, ami ipari környezetben 0,1 – 1,0 mg/m3 között változik, amiből a hűtővízben kénessav, oxidáció hatására kénsav lesz. A kénsav hidrogénje a vízben ill. a vízrendszerben található CO3-ot hidrogénkarbonáttá alakítja, gipszkiválás közben CO3− − + H + = HCO3− Ha a karbonátok elfogytak, a további kénsav hatására az átalakulás folytatódik.

IPARIVÍZ

138

HCO3− + H + = H 2O + CO2 ami szintén csökkenti a víz pH értékét (13. táblázat).

A szabad CO2 hatása a víz pH-értékére 13. táblázat Szabad CO2 mg/l pH (23°C-on) 0,01 6,7 0,05 6,2 0,1 6,0 0,2 5,9 0,5 5,6 1,0 5,5 2,0 5,4 3,0 5,3 4,0 5,2 5,0 5,1 A 66. ábra a hűtővíz m értékének alakulását tünteti fel, a pót-hűtővíz adott m értékének és a levegő SO2-tartalmának függvényében. A grafikon a pontja azt az állapotot tünteti fel, amikor a pótvíz lúgossága m = 0,75 mval/l, és a levegő SO2-tartalma 0,3 mg/m3. Ebben az esetben a hűtővíz lúgossága m = 0,0 mval/l. A b pont pedig azt az SO2szennyezési állapotot ábrázolja, amikor a bekerült sav semlegesítésére nincs a rendszerben elegendő tartalék-anyag (CO3) és a hűtővíz pH-értéke folyamatosan csökken: 6 óra alatt 4,4,-re, 12 óra alatt 4,0-re, 20 óra alatt 3,7-re. A grafikonból meghatározható tehát, hogy a levegő adott SO2-szennyezése esetén a póthűtővíz milyen m értékének beállításával biztosítható a hűtővízrendszerben célszerűen tartandó m = 0,5 mval/l érték. A hűtővíz-rendszer jelentős SO2-szennyezése (levegőszennyezés) esetén – ha a pótvíz lágyítása folyik – a lágyítóban a mészhidrát előírt adagjának csökkentésével lehet visszaállítani a mész-szénsav egyensúlyt.

IPARIVÍZ

139

66. ábra: A levegő SO2 tartalmának hatása a hűtővízre A hűtővizek pH-értékének 7 alá csökkentése természetesen többféle fémion beoldását is (pl. réz, vas, stb.) eredményezi. Ezeknek a fémionoknak jelentős része a rendszerben bekoncentrálódik, ha ez az állapot hosszú ideig tart, ill. állandósul. A hűtőlevegő gyári környezetben a legtöbb esetben jelentős mennyiségű CO2-t tartalmaz. A nyitott hűtőtornyokban tehát a hűtővíz által felvehető, illetve a hűtővízben beálló CO2–koncentráció, a levegő elég nagy CO2-tartalma esetén a víz fölötti levegőben lévő CO2 parciális nyomásától és a vízben lévő HCO3--tartalomtól függ. 7.2.6. A hűtővíz körben fellépő sóbesűrítés A hűtővízkör sótartalma (cR), megváltozott pótvíz koncentráció (cP) esetén azonos irányban változni fog. A változás a 67. ábra szerint kezdetben meredeken, majd egyre kisebb mértékben közelít egy asszimptótához. Ez az asszimptóta az egyensúlyi cR érték, ami viszont – kevert tankról lévén szó – csak végtelen idő után áll be. Azonban viszonylag rövid idő alatt, 1-4 nap alatt eléri a 0,95 c R értéket – ami gyakorlatilag egyensúlyi c- nek tekinthető – kb. A 95 %-os c' R érték kifutásának ideje azonban minden körben a besűrítési viszonyoknak és a hűtőkör térfogatának függvénye. Ennek számítása a következő összefüggések alapján történhet: Az egyensúlyi egyenlet alapján a hűtőkör sótartalma (S) az idő függvényében: dS = QP ⋅ cP dt − (QVsz + QVk + QVl )cR ⋅ dt Q Vsz + Q Vk + Q Vl = Q P − Q Vp Ugyanez meghatározható a körben lévő víztömeg (V) és annak koncentrációja (cR) függvényében is: dS = V ⋅ dcR

140

IPARIVÍZ

67. ábra: A sóbesűrítés folyamata (Kelemen, 1989) A baloldalak egyenlősége alapján A differenciál egyenletet megoldva az időtől függő c’R-re

[

]

V ⋅ dcR = QP ⋅ cP − (QP − QVp )cR dt Q − QVp dcR Q = cP P − cR P dt V V

ha c' R = cR − ΔcR ε' = 0,95 ε QVp Q − QVp QP − cP c' R = cP e− p QP − QVp Q p − QVp V ε ' = 0,95ε QVp c'R t = ε ' = ε − (ε − 1)e − cP (ε − 1)V és az időt kifejezve kapjuk ε V Q (ε − 1)V t=− =− ln 0,05 ln 0,05 P QVp ε −1 QP − QVp QVp Tehát a 95 %-os c’R elérése t idő alatt történik meg.

141

IPARIVÍZ

A kör besűrítésének változásai: A besűrítési tényező (ε) vizsgálata jelzi azt is, ha a rendszerből valahol fölös elfolyás van (csőtörés, túlfolyás), ha stabil ionok besűrítését vizsgáljuk adott időszakonként (pl. Cl-, K-, Na+, esetleg SO42− ). Amennyiben az ε értéke az előző méréshez viszonyítva jelentősen csökkent – normál üzemvitel mellett – akkor vizsgálni kell a fölös elfolyás okát és a betáplált pótvíz mennyiségét. Az ε érték indokolatlan növekedése azt jelzi, hogy a körbe a mért ionból többlet szennyezés érkezik (pótvíz kezelés hatásfok csökkenése, ismeretlen új bekötés, esetleg légköri szennyezés a hűtőtoronynál). A stabil és instabil szennyező-anyagok besűrűsödésének összehasonlítása: A recirkulációs hűtőkörben a párolgás és a különböző utakon rendszerbe jutó szennyezések miatt a forgatott vízben a szennyező-anyagok bedúsulnak. Az ε értéke a párolgás miatt minden szennyező-anyag esetén azonos érték lenne, ha az oldatban (lebegésben) lévő anyagok, különböző fizikai, kémiai hatások miatt nem válnának ki csapadék (üledék), vagy gáznemű formában ill. az üledékek nem oldódnak be. A folyadék anyag-transzportjának állapota vizsgálható a besűrítési tényezők (εn) összehasonlítása alapján. Az oldatban lévő stabil szennyező ionok (Cl-, Na+, K+ stb.) cR értéke megegyezik az előzőekben tárgyalt összefüggések alapján számítható értékekkel. Az instabil ionok (pl. a HCO-3) mért értékei azonban – ha az oldatbantartás fizikai, kémiai feltételei nem biztosítottak, csapadékba, vagy gáznemű formában kiválnak – nem egyeznek a számítottal. Az így képezhető besűrítési tényezők viszonyított értékei az egyensúlyok felbomlásának, azaz a kiválás vagy beoldódásnak mértékét jelzik (65. ábra).

Az oldatból kivált, vagy beoldódott szennyezés mennyisége (Δkg/h) az ε-ok aránya alapján számítható QP cP − (QP − QVp )c'R = Δ

ε −ε'=

Δ cP (QP − QVp )

ε’ = az instabil ion besűrűsödése ε = a stabil ion besűrűsödése Δ = (1 −

ε' )cP (QP − QVp ) ε

A Δ értéke az instabil ionok (szennyezések) növekedésének vagy csökkenésének (±) (fázisváltás) mértékét adja meg 68. ábra.

IPARIVÍZ

142

68. ábra: A sókiválás és beoldódás folyamata (Kelemen- 1988) 7.3. A forgatott hűtővizek vegyszeres kezelése

A hűtővízrendszer különböző pontjain belépő szennyező-anyagok különböző hatásai, valamint ezek által előidézett kémiai, fizikai-kémiai és biológiai reakciók a rendszer minőségi egyensúlyát megbontják. Az egyensúly helyreállításának számos lehetősége mellett, az inhibíció alkalmazása már egyre szélesebb körben elterjedt. Az inhibitorhatás az egyes vegyszereknek az a tulajdonsága, hogy bizonyos fizikai, kémiai illetve elektrokémiai reakciók sebességét csökkenti, vagy azt meggátolja. Pl. a kristályosodási tulajdonságokat megváltoztatja, a vízkőkicsapódást gátolja (komplex képzés), a kiválás folyamán a vízkő letapadását megakadályozza, és a már lerakódott vízkövet fellazítja. A keménységet okozó sókból képződő csapadékok laza iszap illetve finom lebegő szemcse és pehely állagúak lesznek, az összetapadás

meggátlása

következtében a lerakódások helyett lebegő állapotú szilárd részecskék képződnek, amelyek leiszapolhatóak vagy részáramban kiszűrhetőek. Az inhibitorok hatása és az inhibíciós folyamatok iránya a fejlődéssel folyamatosan változik. Az újonnan jelentkező káros hatások, illetve a meglévők hatékonyabb kiküszöbölésére újabb és újabb vegyszereket, ill. vegyszer-kompozíciókat használnak.

IPARIVÍZ

143

Vizsgáljuk meg, hogy a hűtővíz-rendszerben milyen káros hatások, illetve folyamatok igényelnek inhibíciót. A rendszert és üzemét károsító hatások okait vizsgálva a következő inhibíciós területek határozhatók meg: a.) A rendszer mész-szénsav (CaCO3 + CO2 +H2O =

Ca(HCO3)2 )egyensúlyának

megbomlása – minden külső szennyezés nélkül – a recirkulációs körben, a víz minden körülfordulásakor két alkalommal is megtörténik. Az egyensúly ugyanis hőmérsékletfüggő. Tehát, ha az egyensúlyt a hűtött (hideg) vízre állítjuk be, a víz felmelegedésekor CO2 kiválás és ezáltal vízkőlerakódás következik be. A lehűtés után pedig ugyanez a víz korróziós tulajdonságokkal rendelkezik. Ha az egyensúly a meleg vízre érvényes, ugyanez a folyamat indul meg, de a hűtőtoronyban savas hatással kell számolni. Tehát egy kémiai anyag-szivattyúzást idézünk elő (kalciumkarbonátra), amely a Ca sókat a rendszerből a hűtőelembe, ill. a hűtőtoronyba szállítja. b.) A hűtővízrendszer nyitott hűtőtornyában az időjárástól függően gyakran olyan nagy mennyiségű gáz (CO2, SO2, NOx) oldódik a vízbe, hogy a víz minőségi egyensúlyát igen gyakran felborítja (elsősorban a pH eltolódása és ennek következményei által), amelynek helyreállítása nehézkes, lassú és sok figyelmet igénylő feladat. Ellenkező esetben bekövetkezik az előző pontban leírt vízkőkiválás (scale) vagy a korrózió. c.) A rendszer nyitott hűtőtornyában, az időjárástól és a helyi adottságoktól függően a hűtővizet olyan nagy mennyiségű lebegőanyag- (szállópor) szennyezés éri, hogy az egy-egy ciklus alatt többszöröse annak a szennyezésnek, mint ami egy ilyen teljesen kezeletlen pótvíz betáplálása esetén érné. Ennek eltávolítása gyakran csak a részleges vagy teljes forgatott víz mennyiségének kezelésével biztosítható, ellenkező esetben a rendszerben káros lerakódások (fouling) keletkeznek. d.) A nyitott hűtővíz körök kellő mennyiségű fény érte elemeiben jelentős alga szennyezés lép fel. A zárt elemekben viszont káros baktérium és gomba szaporulattal kell számolni, ahol a túlszaporodást a mikroroganizmusok által termelt savakkal előidézett biokorrózió valamint a hűtőtornyok hűtőelemeinek elrakódása miatt meg kell fékezni. A hűtővíz-rendszerben alkalmazandó inhibíció igénye tehát a következő területeken jelentkezik: -

a rendszer kémiai és elektrokémiai korróziója ellen,

144

IPARIVÍZ

-

a vízkőkiválások (CO3--, SO4-- , SiO3-- ,stb.) ellen,

-

a lebegőanyag kiülepedése és lerakódása ellen.

-

biológiai túlprodukció és következményei (biokorrózió, nyálkaképződés) ellen.

A vízkőkiválás folyamatát és okait a 7.2 pontban részletesen tárgyaltuk.

7.3.1. Korrózió a vízrendszerekben A fémek korrózióján értjük: a felületükön, környezetük hatására jelentkező, kémiai,

illetve elektrokémiai reakciók okozta káros elváltozásokat, amiket előidézhetnek a fémmel érintkező oldatban levő komponensek vagy a légköri szennyezések, de akár maga az oldott oxigén is, továbbá a fém felületére tapadt biológiai szervezetek által termelt vegyi anyagok. .A fémek felületén létrejövő

korrózió termodinamikai szempontból stabilizáló

folyamatnak tekinthető. Természetesen egyes fémek egy egy anyaggal szemben nem azonos módon reagálnak, így a vas az oxigénnel, míg például a réz a kén-hidrogénnel, szénsavval, vagy ammóniával szemben érzékeny, és ilyen anyagokat tartalmazó közegben korrodeál jelentős mértékben. Egyes fémek esetében védőrétegek képződnek, mint az alumíniumon az oxidréteg, amelyet eloxálással vastagítanak meg, vagy a vörösréz vörös színe is egy atomi

vastagságú oxidréteg következménye, amely

megvédi az oxigen további behatásaitól. A vízben oldott ionos természetű kémiai vegyületek disszociációja által elektromos töltésű ionok keletkeznek, amelyek vezetik az elektromos áramot, ezért az ilyen anyagokat tartalmazó közeget elektrolit oldatnak nevezzük. Ezzel szemben a fémekben az áramot nem ionok hanem elektronok vezetik. Ha egy fém vizes elektrolitot tartalmazó közegbe kerül, akkor elektromos vezető rendszert alkotnak és megindul a fém oldódása, azaz maga az úgynevezett elektrokémiai korrózió. Ebben a folyamatban a fém az anód szerepét tölti be, tehát a fém oldódása anódos folyamat. Az anódos oldódás során a fémből elektronok (e-) szabadulnak ki, vagyis a fém oxidálódik, és fém-ion (pozitív töltésű) képződik. Ugyanakkor kell lenni egy másik helyen egy másik folyamatnak is, ami fogadja a levált elektronokat, azaz egy

IPARIVÍZ

145

katódos korróziós folyamat is (redukció) mindíg jelen van a korróziós jelenség során. A vizes rendszerekben a katódos (korróziós) folyamatok jellemzően a hidrogén ionok töltésvesztése, és leggyakrabban oldott oxigén redukciója (amelyben a víz is szerepet játszik, hidroxid-ionok képződésével: O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-. Ezen a két egyidejű jelenség (anódos és katódos korróziós folyamatok) eredményeképp képződnek azok a pozitív és negatív ionok, amelyek kölcsönhatásában a korróziós termék képződik (pl. a vas esetén a vas-ionokból és az oxigénből képződő hidroxid-ionokból a vas-hidroxid, illetve a szekunder bomlási folyamatok miatt: Fe(OH)3=FeO(OH) + H2O, az Fe(O)OH, az úgynevezett vas(III)-oxid-hidroxid, amit rozsdaként ismerünk. A korrózió fajtái:

A fémek tönkremenetelének négy típusát különböztethetjük meg: -

egyenletes,

-

egyenetlen,

-

feszültségi és

-

kopási korrózió

Egyenletes korrózió:

A fém felületének egyenletes, a felületével párhuzamos lepusztulása. A pH >5 vizeknél a korróziós termékek a fém felületét egyenletesen lefedik, ezzel a korróziós folyamatokat mérséklik. Savas vizek esetén (pl. kondenzátumok, szennyvizek) ez a korróziós fogyás jelentőssé válhat. A nem teljes vezetékszelvényben lefolyó vizek esetén az egyenletes korrózió a nedvesített felületen bemaródásokat okozhat. Egyenetlen korrózió

A fémen belüli, a fém felületén és az oldatban kialakuló heterogenitások következtében makroszkópikus, és mikroszkópikus méretű, jól lokalizálható katódos és anódos területrészek jönnek létre. Ennek következtében a fémek egyenetlen fogyása következik be. a.)

A fém felületén létrejövő koncentráció különbségek következtében lyukkorrózió alakulhat ki

146

IPARIVÍZ

-

Ha a fém felülethez az oxigén (oxidáló közeg) különböző mértékben jut el, un. differenciális szellőzésű elemek alakulnak ki. A kevésbé ellátott területeken

anódos, fémoldódással járó folyamatok játszódnak le. A fém felületén pontszerű, foltszerű, vagy árokjellegű berágódások alakulnak ki, ami a folyamatos mélyülés következtében a szerkezet átlyukadásához vezet. A korróziós termékek a korrodált fém üregeit kitöltik, a felületen korróziós termékekből álló kidudorodások jönnek létre. Elsődlegesen az ötvözetlen vagy kevéssé ötvözött acéloknál, öntöttvasnál és a tűzihorganyzott acéloknál jelentkező korrózióhoz a fém felületén kialakult lerakódások, eltérő áramlási viszonyok és a hőmérséklet különbségek vezethetnek. A nem egyenletesen felhordott védőrétegek és a berendezésekben, vezetékekben kialakuló légzsákok szintén ilyen típusú korróziót okozhatnak. -

Lyukkorrózió léphet feli abban az esetben is, ha a fém felületén kialakult passzív rétegen egyes anionok, pl.: a klorid-ion átdiffundál, és egy adott koncentráció szintnél a passzív állapotot megszünteti. Ilyenkor tűszúrásszerű korróziós bemélyedések alakulnak ki. Ez a károsodási forma főleg az erősen ötvözött acéloknál (különösen jellemző rozsdamentes acélnál klorid-ionokat tartalmazó közegben) és az alumínium szerkezeti anyagoknál jelenik meg.

-

Az egyenetlen korrózió speciális esetét képezik a biológiai szervezetek életműködésével összefüggő un. biokorróziós jelenségek. A baktériumok jellemzően

a

kialakult

lerakódások

alá

települnek,

ott

tányérszerű

bemaródásokat hoznak létre. A fém felületekre feltapadó élő bevonatok (baktérium, gomba, alga) jellemzően olyan agresszív anyagokat termelnek, amelyek megváltoztatják a fém felületen a pH értéket és ezzel együtt a különféle ionok koncentrációviszonyait, ezzel az előzőekben leírt korróziós jelenségek kiinduló forrásává válnak. A legtöbb aerob baktérium savakat termel, de a zárt rendszerekben, oxigénhiányos környezetben gyakori az anaerob szulfátredukáló baktérium jelenléte is, amelyek oxigén távollétében a vízoldható kén vegyületekből (szulfát) nyerik az életműködésükhöz szükséges oxigént és eközben az önmagában is erősen korrozív kénhidrogént termelik. A nitrifikáló baktériumok a vízben lévő ammóniából salétromsavat képeznek, ami a fémek felületeken

bemaródásokat

eredményez.

A

kénbaktériumok

a

szulfid

vegyületekből kénsavat termelnek. A biokorrózió során felszabaduló vas

147

IPARIVÍZ

vegyületekből a szerkezeti anyag felületén kidudorodások keletkeznek, ami a diffúziós folyamatokat gátolja. Ha egy szerkezeti anyag nem egyformán nemes anyagszerkezeti részekből épül fel lokálelemek alakulhatnak ki a fémen belül. Vízzel érintkezve a kevésbé nemes alkotórész fokozottabb mértékben oldódik, ennek következtében szelektív korrózió alakul ki, emiatt réz és cink tartalmú sárgaréz szerkezeti anyagokból

szelektív korrózió során a cink eltávozhat az ötvözetből (elcinktelenedés). Ilyen esetekben a

negatívabb elektródpotenciálú fém megy oldatba (ez a

fém

korrodeálódik), és ezzel megvédi a pozitívabb elektródpotenciálú fémet. Ezen jelenség miatt használják a horganyzást széles körben a vas védelme érdekében (a vas elektródpotenciálja pozitívabb, mint a cinké). :Ugyanakkor, egyes heterogén rendszerekben, például a magas cinktartalmú ötvözeteknél a réz és cink együttes helyi korróziója is felléphet, de az ekkor oldatba kerülő rézionokból a réz cementálódik a kevésbé nemes felületeken, viszont ezzel elősegíti a cink fokozott sebességű oldódását. A korrózió során a szerkezeti elem felülete nem változik, mivel a szivacsos szerkezetű réz megmarad (vöröses elszíneződés figyelhető meg). A korrózió hatására a szerkezeti anyag mechanikai tulajdonságai jelentősen leromlanak. A korrózió kialakulását a vas-, mangán-, karbonát- és szulfát lerakódások, a hőmérséklet emelkedés, pH-érték csökkenés, sótartalom emelkedés és a vízben lévő réztartalom elősegíti. - A szürkevas-öntvényekben a grafit és vas szemcsék között, nagy sótartalmú, oxigénszegény vizek esetében lokálelemek képződnek, aminek következtében az ötvözet vastartalma kioldódik (grafitosodás). A korrózió hatására a szerkezeti elem alakját nem változtatja meg, csak mechanikai tulajdonságai romlanak le. -

A jó korróziós tulajdonságokkal rendelkező ötvözeteknél a kristályszemcse határfelületein olyan potenciál különbségek alakulhatnak ki, amelynek következtében kristályközi korrózió jön létre. Erre a korrózióra az ausztenites króm-nikkel és az alumíniumötvözetek érzékenyek.

b.)

Kontaktkorrózió alakul ki, ha két eltérő potenciálú fém egymással elektromos

vezető kapcsolatban van, egymással közvetlenül érintkezik. A korróziós hatás az érintkezés környezetében lép fel, a kevésbé nemes anyagot támadva. Ezt a korróziót a lerakódások csökkentik. A kontaktkorrózió speciális esete az indirekt kontaktkorrózió, ami akkor alakul ki, ha a kevésbé nemes fém felületén

148

IPARIVÍZ

nemesebb fém válik ki. Ilyen esetek fordulhatnak elő, amikor a vízből réz válik ki az alumínium, horganyzott szerkezeti anyagok, vagy az ötvözetlen acél felületeken. c.)

Kóboráram korrózió a csővezetékeknél jelentkezhet, ha a közelében egyenáram

földelése történt, amikor is az áram belép a csővezetékbe. Jól vezető környezet esetén az áram kilép a csőből és a kilépés helyén anódos korrózió lép fel, ami súlyosan károsítja a fém csővezetéket. A kóboráram korrózió kráterszerű bemaródásokat eredményez, amiben a korróziós termékek miatt a korrózió nem észlelhető. d.)

Bevonat alatti korrózió akkor jelentkezik, ha a kialakult v. kialakított védőréteg

nem homogén és nem tapad a fém felületéhez kellő mértékben, vagy ha a bevonat porózus és a víz és a különböző oxidáló anyagok a bevonatok átdiffundálnak. Feszültségkorrózió

Ha a fémek külső vagy belső feszültségek, illetve rezgésnek vannak kitéve, fokozottan korrózió érzékennyé válnak. - A feszültségkorróziós repedések megjelenése az ötvözetlen acélok, ausztenites króm-nikkel-acélok, alumíniumötvözetek és a sárgaréz szerkezeti anyagok

esetében elég gyakori. A jelentősebb koncentrációban lévő semleges sók (kloridok, nitrátok) a hőmérséklet és a pH–értéktől függően jelentenek kockázatot. - Az állandó rezgésnek kitett berendezéseknél (pl. vízszállítás) a korróziós kifáradással kell számolni, különösen, ha a hőmérséklet nagymértékben változik (gőz, forróvíz rendszerek) Kopási korrózió

Abban az esetben, ha a víz nagy sebességgel áramlik a szerkezeti elem fala mentén, annak korróziós védettségét csökkenti (a kialakult védőréteget megbontja), vagy mechanikai úton károsítja. Gőzt, vagy vizet szállító berendezéseknél, különösen ha a szállított közeg szilárd részecskéket

is

tartalmaz,

a

nagy

sebességgel

becsapódó

részecskék

károsíthatják a fém felületet. A sérült szerkezeti anyagban a korrózió nagyobb

149

IPARIVÍZ

mértékűvé válik. A korróziós helyek elhelyezkedése jól kirajzolja az áramvonalakat. Kavitációs korrózió azokon a helyeken keletkezik, ahol helyi nyomáscsökkenés lép fel,

és a nyomás az adott hőmérséklethez tartozó telített vízgőznyomás értéke alá csökken. Ezért apró gőzbuborékok keletkeznek, melyek egyesülnek. A vízáram a buborékokat nagyobb nyomású helyre sodorja, ahol a buborékok összeomlanak. A buborékok helyére becsapódó vízrészecskék a fém felületét tűszúrás-szerűen folyamatosan erodálják. Az erodált fémfelületen a korróziós hatás jelentősen fokozódik. A szerkezeti anyag így rövid idő alatt szivacsossá válik és tönkremegy. Ugyanez a folyamat zajlik le gázos vizek esetén, ahol gázbuborék kiválás következik be a nyomás csökkenésére. Kavitáció és ebből származó korrózió gáztalanítókban, szivattyúkban és vízturbinákban léphet fel. A vas-ionok által indukált korrózió:

Függetlenül attól, hogy a korrózió mely fajtája okozta a vas beoldódását, a képződött vas(III)-ionok egy korróziós szempontból rendkívül veszélyes helyzetet teremtenek, mivel képesek reagálnia a fém vassal, amikor a 2Fe3+ + Fe0 =

3Fe2+

folyamatnak szerint keletkező vas(II)-ionok a levegő oxigénjével reagálva, különösen pH=7 fölött, nagyon gyorsan oxidálódnak 4Fe2+ + O2

H2O= 4Fe3+ + 2OH-

Ekkor nemcsak hogy újraképződik a korróziót (vas oldódása) előidéző vas(III)ion mennyiség, de a korrodeált vastartalomból származó fémvasból is ugyanez a korrozív species (Fe3+-ion) keletkezik, vagyis a korrozív ion mennyisége egyre csak növekszik a rendszerben. Ez a több vas(III)-ion több fémvasat korrodeál, amelyből még több vas(III)-ion képződik - vagyis a folyamat nemcsak önfenntartó, de öngerjesztő is. 7.3.2. A korróziót gátló inhibitorok

A korrózió sebességének csökkentése, akár az anódos, akár a katódos folyamat sebességének csökkentésével elérhető. Az inhibíció feladata ezeknek a részfolyamatoknak a befolyásolása és ennek megfelelően kétféle inhibícióról beszélhetünk (Rónya):

IPARIVÍZ

150

-

felületi inhibíció (szorpciós inhibitorok),

-

elektrolit filminhibíció.

Természetesen az egyes fémekre maga az inhibíció mechanizmusa és a fém elektrokémiai tulajdonságai miatt nem ugyanazon molekulák fogják a maximális inhibitor hatást mutatani, például a réz esetén a tolil-triazol és származékai, míg a vas esetében a hidroxi- és aminofoszfonátok bizonyultak a leginkább hatásos inhibitornak. A felületi inhibícióra a különböző fémek nem egyformán érzékenyek. Az átmeneti

fémek, mint pl. a vas (d elektronhéja nincs feltöltve) vagy más nagy olvadáspontú fémek érzékenyebbek. Az anódos oldó hatást tehát az inhibitorok fémfelületre való szorpciója gátolja. Ez a folyamat azonban csak akkor lehetséges, ha a fém anódos oldásának sebessége nem nagyobb az inhibitor szorpciós sebességénél. Az inhibitor molekulák, illetve ionok méretei és az elektromos vagy dipol töltéserőssége a szorpció sebességét jelentősen befolyásolja. Az elektrolit filminhibíció nagymértékben gátolja a korróziós folyamat fémion

szállítását. Az elektrolit filmgát egyes inhibitorok esetében átalakul fedőréteggé (fedőréteg-inhibíció). Hosszú ideje folynak nemzetközi és hazai kutatások a hűtővíz-rendszer káros folyamatainak meggátlását vagy csökkenését biztosító inhibitorok kidolgozására. Ennek megfelelően számos inhibitor került az utóbbi időszakban alkalmazásra, amelyek hatása a korróziós folyamatok megakadályozására – különösen a többféle anyagból összeállított inhibitor kompozíciók esetében – megfelelő Az inhibitorok hatásmechanizmusát vizsgálva tehát megkülönböztetünk anód- és katódinhibitorokat. Az anódinhibitorok, pl. a nátriumsók: kromát, ortofoszfát, nitrit, ortoszilikát anionhoz kapcsolva. Az anódinhibitorok különbözőképpen reagálnak a vízben lévő oxigén-klorid és szulfátkoncentrációkra. Ezek fokozott jelenléte esetén jelentősen növelni kell az inhibitor-adagolást. Nem megfelelő adagolás esetén pontkorrózió lép fel. A kromát, nitrit és foszfáttartalmú szereket környezetvédelmi okokból próbálják háttérbe szorítani, ezen törekvések indukálták a szerves inhibitorok kémiájának nagyarányú fejlődését.

151

IPARIVÍZ

A katódinhibitorok a korróziós felületek reakcióit közvetve befolyásolják azáltal, hogy

az elemi oxigén hatására a víz fémionjait nehezen oldható fém-hidroxidokká redukálják, ami a katódfelületeken kiválik. Tehát a katódos részreakció gátlásával az egész reakció folyamatát, így az anódos rész korróziós folyamatát is gátolja. Más néven azt filmvédelemnek is nevezik. A katódos inhibitorok közé számos ion sorolható: polifoszfátok, foszfonátok, poliszilikátok, cink, molibdátok stb. A különböző inhibitor keverékekben leggyakrabban

cinkion található. Az inhibitorok, amelyek régebben túlnyomóan szervetlen sók voltak, gyakran olyan koncentrációt értek el, amelyek a hűtővíz lesózásakor (lebocsátás) a befogadóra káros (toxikus) hatást gyakoroltak. Tehát a lebocsátott víz tisztításáról – ami igen költséges művelet – vagy hígításáról feltétlenül gondoskodni kellett. Ugyancsak szükséges a figyelmet

felhívni

a

vízrendszerben

a

pH-szabályozás

(sav-,

lúgadagolás)

mellékhatásaira, mégpedig a Cl--, SO4--, és Na+ - bedúsulásra. A klorid- és szulfátkoncentráció növekedésével ugyanis a korróziós folyamatok jelentősen felgyorsulnak. A szervetlen inhibitorok akkumulációját kívánják kiküszöbölni a szerves inhibitorok alkalmazásával (Betz Handbook, 1976, Nalco Handbuch 1981). A hűtővíz-rendszerek káros kémiai, fizikai és biológiai folyamatait ma már igen sokféle, túlnyomórészt szerves inhibitorokkal szabályozzák. Előállításuk bonyolult szerves kémiai módszerekkel történik. Hatásukat laboratóriumi és üzemi kísérletek határozták meg. A sokféle vegyszer kombináció – amelyek többféle hatást is kifejtenek a vízrendszerben (vízkőgátló és -diszpergáló; vízkő- és korróziógátló stb.) – alkalmazása fokozott ellenőrzést igényel, a fő hatáson túl a számos mellékhatás vagy – adott esetben – az ellentétes hatások miatt. Speciális inhibitorok az eredetileg vízkőkiválásban alkalmazott kelátképző anyagok, amelyek nemcsak a kalciumtartalmat viszik erős komplexbe, hanem a vas(III)-ionokat is, így megakadályozva azt, hogy a szabad vas(III)-ionok a fém vassal öngerjesztő korróziós reakcióba lépjenek. A korrózió mértékének megbízható mérése többféle úton történhet. A korróziónak kitett elem tömegveszteségét mg/m2.d-ben, a korrodált réteg vastagságát mm-ben, valamint a korróziós kimarás mélységét mm/a-ban mérik. Egyre szélesebb körben terjed a korróziós elemek anyagának elektromos és polarizációs vizsgálata, amelyből a korrózió mértéke meghatározható. Ugyancsak gyakran alkalmazott vizsgálati módszer a rendszer adott pontjain a vízáramba helyezett korróziós vizsgáló

152

IPARIVÍZ

fémlapok (kupponok) időszakos ellenőrzése. Ez a módszer nem teljesen azonos értékű az előzőekkel, mert a fémlap néhány korróziót befolyásoló tényezője nem azonos a vizsgálandó szerkezetével, de könnyen elvégezhető, közelítő mérési módszer. A korrózió-inhibitorok adagolásakor szem előtt tartandók a következő szempontok: -

szénacél berendezések esetén 0,1 mm/a korróziósebesség még megengedhető inhibitor adagolás nélkül,

-

inhibitor adagolás esetén a csökkentett korrózió sebessége 0,05 mm/a (50°C esetén), 50-100°C hőmérséklet esetén ennek a duplája lehet,

-

a korrózió inhibitorok legtöbbje toxikus, tehát nagyfokú koncentrációja nem engedhető meg,

-

az inhibitor adagolás előtt a vízrendszer széleskörű fizikai, kémiai és biológiai egyensúlyi vizsgálatát el kell végezni.

A korrózió elleni inhibitoroknak ma már nagyon széles skálája áll rendelkezésre, amelyek a legkülönfélébb a fém felülethez adszorbeálódni képes funkciós csoportokkal ellátott vegyületek és keverékeik. Ki kell emelni a C-P kötést tartalmazó foszfonátszármazékokat, foszfonsavszármazékok.

amelyek

elsődlegesen

Legjelentősebb

hidroxi-

képviselőjük

az

és

aminoalkil-

1-hidroxi-etán-1,1-

difoszfonsav (HEDP), amely nemcsak kiváló korróziós inhibitor, de számos más inhibitor hatású anyaggal, például cinkkel, megfelelő arányban elegyítve szinergizmust mutat. A szinergizmus eredményeképp nem a komponensek hatásának matematikai összegét, hanem annál szignifikánsan jobb hatást találunk. Ez a difoszfonsav származék sok

más

diszpergálószerrel,

biociddal

kompatibilis,

számos

anyaggal

mutat

szinergizmust, és komplexképző hatása miatt nem képez csapadékot sem a vízkörökben jelenlevő fémionokkal. Az ilyen tipusú korrózióvédő adalékok azonban nem olcsó anyagok, nemcsak gazdasági de foszfortartalmuk miatt környezetvédelmi szempontból is fontos cél, hogy csak a szükséges mennyiséget használjuk fel belőlük. Ez azt jelenti, hogy adagolásuknál folyamatosan követni kell(ene) a koncentrációjukat a hűtővízben, ami helyszínen nem is olyan egyszerű feladat. Erre találták ki az úgynevezett TRASAR rendszert, amely során a korróziós inhibitorokat egy olyan korróziós szempontból inert anyaggal keverik, amely felezési ideje és a lebomlásának lefutása nagyon hasonló az aktív komponenséhez, és amely könnyen kimutatható. Legtipikusabb képviselőjük a naftalin2-szulfonsav, amely UV és fluoreszcenciás mérésekkel nagy érzékenységgel mérhető.

IPARIVÍZ

153

Azonban a vízkörökben levő szennyezők könnyen adszorbeálják mind az aktív hatóanyagokat, mind az inaktív markert, és egy marker nem tudja lekövetni az összes adott esetben szinergikus hatású

- aktív komponens felezésében észlelhető

különbségeket. Ezért fejlesztették ki a monitorozható korróziós szempontból aktív komponenseket, a melyek jellemzően a konjugáció miatt UV illetve fluoreszcens módszerekkel érzékenyen detektálható aromás aminofoszfonsavszármazékok. 7.3.3.Kőkiválást gátló inhibitorok

A vízkőkiválás a vízben lévő oldott anyagoknak, különböző fizikai, kémiai hatásokra történő szilárd csapadék fázisba kerülése, ami vagy kristályos formában vagy amorf lebegőanyagként a csövekre, elemekre feltapad vagy kiülepszik. A leggyakoribb vízkőképző anyagok: CaCO3, CaSO4; Ca3(PO4)2; MgSiO3; H2SiO3, de előfordulnak még: FeO; Zn3(PO4)2; CaF2; FeCO3, és más anyagok is. A vízkőkiválást gátló vízkezelés természetes módja elsősorban a hűtővíz mészszénsav egyensúlyának beállítása, illetve megközelítése még akkor is, ha az azt befolyásoló tényezők változnak. Jelentős eredményeket értek el a hűtővízgazdálkodásban a poliakrilátoknak és polimetakrilátoknak, mint vízkő gátló inhibitoroknak az alkalmazásával. Adagolásuk 0,25-0,5 g/m3. Előnyösen alkalmazhatók a vegyszerek az elvízkövesedett hűtőrendszerekben is, ahol a kivált vízkő lassú feloldására is alkalmasak. Az utóbbi időben egyre nagyobb teret hódítanak a szerves inhibitorok, illetve a szerves és szervetlen kombinációk. Előnyük, hogy a rendszerben egy meghatározott szint fölé nem töményednek, így a rendszerből lebocsátott víz elvileg kezelés nélkül a befogadóba engedhető. A fejlődés iránya az, hogy a recirkulációs rendszereket gyakorlatilag zárják, tehát nincs lebocsátás és akkor a szervetlen inhibitorok vagy a kristályt módosító inhibitorok is alkalmazhatók. Ezek az anyagok különféle polikarboxilátok és a fejlesztések iránya a minél kisebb dózisban is hatásos készítmények kidolgozása irányába mutat. Ez utóbbi inhibitorok a vízkő kristályokat módosítják. Meggátolják a kristályok hűtőelemhez és egymáshoz tapadását. A vízben tehát egyre több finom kristály és amorf szennyezés lebeg, amit részáram szűréssel (koaguláció után) távolítanak el.

IPARIVÍZ

154

7.3.4. Kiülepedést gátló inhibitorok

A finom szemcsés és pelyhes (kolloidális) szennyező anyagokat (szuszpenziók) tartalmazó vizet, ha ún. diszpergáló szerekkel kezeljük (adagolunk), nagy koncentrációk esetén sem ülepszik ki, vagy tapad föl (fouling) a hálózatban, szerelvényekben, hűtőelemekben. A diszpergáló hatás adszorpció útján valósul meg. A finom szilárd részecskék felületén azonos töltésű polimerek adszorpciós réteget képeznek, és ezáltal a részecskékre taszító hatást biztosítanak. Így az áramló víz elsodró ereje a részecskéket lebegésben tartja. A hűtővízrendszerekben jelenleg alkalmazott diszpergálószerek a különféle szintetikus poliakrilát-származékok (átlag molsúlyuk kb. 1000), és ezek kombinációja más kopolimerekkel (polimer maleinsavszármazékok) vagy más elven működő diszpergálószerekkel, például az erős diszpergáló és biocid aktivitással együttesen rendelkező kvaterner ammóniumsókkal. Ez utóbbi esetben azonban tömény oldatban a poliakrilátok csapadékot képeznek, így együttesen csak időben és térben külön-külön adagolva akalmazhatóak, mivel koncentrált oldataik elegyítésekor a csapadékképződés következtében az aktivitás elvesztése is észlelhető. Azokban a recirkulációs vízkörökben alkalmazzák a finom szemcsék és kolloidális anyagok lebegésben tartása céljából a különböző diszpergáló szereket, ahol a pótvíz lebegőanyag-szennyezése (időszakosan) jelentős, vagy ahol a nyitott (hűtőtoronyban) rendszerbe jelentős szállópor-szennyezés kerül, vagy még inkább, ahol a gyártástechnológiákból a rendszert folyamatosan finom lebegő szennyezés éri, továbbá ahol nagy karbonát keménységű pótvizet kőkiválást gátló inhibitorral kezelnek és ezáltal a kivált finom kristály szemcséket lebegésben kell tartani. A közepes és durva lebegő szemcsék kiülepítése akár a rendszerben keringő összes vízhozam esetében is, minden körülforduláskor viszonylag kis költséggel megoldható. A finom szemcsés és kolloidális szennyezések visszatartása azonban lényegesen magasabb fajlagos költséget igényelne. Azokban a recirkulációs rendszerekben, ahol a forgatott víznek jelentősebb tartózkodási ideje van, koaguláló szereket alkalmazunk, és a keletkező lebegőanyagpelyheket a vízáram a rendszerből kiseperve valamely tározott térben (ülepítő, hűtőtorony tálca, tározó) lerakja. A hűtővíz rendszerek egyensúlyi viszonyait károsan befolyásoló hatások ellen adagolt inhibitorok gyakran eredményeznek ésszerű és gazdaságos megoldást. Nemegyszer

155

IPARIVÍZ

ezzel nagy költségű vízkezelő telep létesítése helyettesíthető, de nem minden esetben. Az inhibitor alkalmazása előtt tehát igen körültekintő vizsgálatokat szükséges végezni a rendszeren, mind műszaki (vízkémiai, biológiai, hidraulikai, stb.), mind gazdasági (vegyszerköltség, vízkezelő berendezések költségei stb.) szempontjából. (A műszaki, gazdasági megítéléseket célszerű a szaktervezőnek vagy kutatónak, és nem a vegyszerek eladásában érdekelt kereskedőnek a vizsgálataira alapozni.) 7.3.5. Biológiai szervezetek túlprodukcióját gátló biocidok

Meglepő tény, hogy a hűtővízkörök korróziója, az esetek 80 %-ban a biokorrózióra vezethető vissza, így a korrózió elleni védekezés egyik legfontosabb lépése a mikroorganizmusok elleni védelem, a biocidok adagolása. A

mikrobiológiai

korróziót

az

ember

egészségére

általában

veszélytelen

mikroorganizmusok anyagcsere termékei okozzák, de kimutatták már a patogén Legionella, E. Coli, Pseudomonas, Cryptosporidium, Camplyobacter, Salmonella és egyéb

törzsek megjelenését is, amelyek ellen a magas szintű rezisztencia miatt

szelektív hidrogén-peroxid-ezüst alapú specifikus biocidokat illetve klór-dioxidot alkalmaznak. A hűtővíz körök napfény érte helyén algák telepszenek meg, és az alga telepekben megjelennek a baktériumok és gombák. Ezek a mikro és makroszervezetek a hűtővíz környezetében igen jó életfeltételek között (hőmérséklet, pH, tápanyag) nagy sebességgel szaporodnak. Az algák a korróziót nem csak elősegítik a baktériumok szállás biztosításával, hanem maguk is korróziós hatást fejtenek ki a termelt oxigén és különböző savak hatására. A hűtővíz rendszerben megtelepedő sokféle baktérium közül a rendszert korrodáló baktérium: a nitrátredukáló-, a metántermelő-, a szénhidrogéneket oxidáló-, a szulfátredukáló-, a ként oxidáló-, a nyálkaképző-, a vas-baktériumok stb. Ezek a szervezetek gyakran szimbiózisban élnek, azaz egymás létfeltételét biztosítják. Általában az anyagcsere végtermékük a korrozív vegyület. Ennek a korróziónak

a

zavartalan

lefolyásáról

legtöbbször

nyálkaképző

baktériumok

gondoskodnak, a kritikus pontokat, területeket lefedve. Ebbe a nyálka rétegbe a víz lebegőanyaga (szerves és szervetlen) betapadva, szilárdabb védelmet biztosít a korrozív folyamatnak, és tápanyagokat biztosít a műveletet végrehajtó baktériumoknak. A

156

IPARIVÍZ

felsorolt baktériumok a vízrendszerben sokféle korróziós folyamatot indítanak el, melyek önmagukban is, de egymást segítve igen jelentős korrozív-eredményt érnek el. Ezért is fontosak az új, kvaterner ammóniumsó tartalmú biociodok, amelyek erős diszpergáló hatásúak, képesek behatolni (penetráció) a biofilmekbe, és a lerakódások mélyében is kifejteni hatásukat, egyben fellazítva ezeket a lerakódásokat. A vízrendszerben lévő mikroszervezetek másik csoportja a gombák, melyek közül a nyálka – és penészgombák azok melyek az említett szimbiózisban a tulajdonképpeni korróziót végrehajtó baktériumok életfeltételeit biztosítják ill. elősegítik. A fentieken kívül a gombák okozzák a rendszer fa szerkezeteinek tönkretételét (pl. hűtőtoronyrács) is. A káros mikrobiológiai szervezetek ellen biocid anyagoknak a vízkörbe adagolásával védekeznek, melyek valamilyen hatás mechanizmus eredményeként a biológiai szervezeteket elpusztítják. Jelenleg kétféle típusú

biocid hatóanyagot és diszpergáló szereket kombináltan

használnak: -

oxidáló biocidok (klór, hypó, klórmész, hipobromitok, ózon, klór-dioxid, hidrogén-peroxid)

-

nem oxidáló biostatok (kolloid ezüst, izotiazolinok, 2,2-dibróm-3-nitrilopropionamid (DBNPA), kvaterner ammóniumsók, 2-bromo-2-nitropropán-1,3diol (bronopol), diklór- és triklórizocianurátok, és egyéb készítmények)

A klórgáz adagolásakor a klór a vízben hidrolizál: Cl2 + H 2O → H + Cl − + HOCl és a képződött gyenge savként funkcionáló hipoklórossav a pH függvényében disszociál

HOCl. ⇔ H + + OCl − hipoklorit-ion képződésével. A HOCl az egyik leghatékonyabb klórvegyület a mikroorganizmusok ellen, tehát a klórozást úgy kell végezni, hogy a rendszerben a klórtartalmú oldott anyagok közül (Cl2, HOCl, ClO-) a HOCl aránya minél nagyobb legyen. Ez az eredmény a 6-7,5 pH tartományban várható elméletileg, de főképp az alacsonyabb pH értékek esetében van jelen nagyobb hányadban a szabad hipoklórossav. A beadagolt szabad klór nem csak a biocid hatását fejti ki, hanem a vízben lévő szennyezőanyagokkal is reakcióba lép, például az ammóniával, klóraminok képződésével, amelyek biocid aktivitása egy nagyságrenddel kisebb, mint a klóré vagy az abból képződő hipoklórossavé, és csak az

157

IPARIVÍZ

ún. töréspont után maradt aktív klór okoz teljes egészében biocid hatást. A klórozás nagyon nagy hátránya, a klórgáz erős korrozív mivoltán túl a klórgáz rendkívül erős mérgező hatása (a klórt harci gázként alkalmazták az első világháborúban), amely miatt közvetlen felhasználása nagy szakértelmet és óvatosságot igénylő feladat. A víz “klórozása” alatt a szakzsargon nagyon sokszor a hypó (nátrium-hipoklorit oldat) adagolását érti, mivel az NaOCl (hypo) a vízzel hidrolizálva az NaOCl + H2O = Na+ + OH- + HOCl reakcióegyenletnek megfelelően ugyanúgy hipoklórossavat ad, mint az elemi klórgáz, így gyakorlatilag azonos hatás várható el a hypó adagolásakor, mint a klórgáz alkalmazásánál. . Ez a hatás azonban csak részben tud érvényesülni, mivel a szabad hipoklórossav koncentráció pH függő, és a tipikus 7.5-8.5 közötti hűtővíz pH tartományban az aktív klórtartalomnak csak mintegy 10 %-a van biocid hatás szempontjából kedvező, hipoklórossav formában. A közepesen szennyezett hűtővíz körbe 5-10 g/m3 klór adagolása célszerű a vízkör teljes mennyiségéhez, de 1-1,5 órán át 0,5-1,0 mg/l szabad klór szintet kell tartani. Olyan baktérium fajok, csoportok jelenléte esetén, melyek a kisebb klór koncentrációkkal szemben ellenállók (nyálkaképzők, zöldalga), 5,0 mg/l szabad klór szint tartandó az 1-1,5 óra ideig. A hypó hallatlan előnye a klórgázzal szemben, hogy biztonságosan kezelhető, és nagyon olcsó. Hátránya, hogy a pH-t vagy szabályozni kell (csökkentés, ami korróziós szempontból kedvezőtlen), mert sokszoros túladagolás esetében sem tudjuk a megfelelő mennyiségű szabad hipoklórossav szintet biztosítani 8.5 körüli pH értékek esetében. A probléma megoldására elegáns megoldást kínálnak, az úgynevezett bromid aktivátorok. A bróm, illetve a nátrium-hipobromit analóg módon a klórral és nátrium-hipoklorittal,

erős oxidálószerek, jó biocidok, azonban nem olcsó anyagok. Ugyanakkor, kis mennyiségben (10 %-ban a hypóra nézve) bromidokat, például kálium-bromidot adagolva a hypóval kezelt rendszerekbe, a KBr + NaOCl = KCl + NaOBr reakcióegyenlet szerint képződő nátrium-hipobromitból, a hidrolízis során HOBr (hipóbrómossav) képződik, amely oxidáló ereje nemcsak vetekszik a HOCl analóg oxidáló erejével, de ez a hidrolízis még 8.5 pH értéknél is biztosítja, hogy a bróm nagy része, több mint 50 %-a az aktív HOBr formában legyen jelen. Ez az érték kevesebb

158

IPARIVÍZ

mint 10 % a HOCl esetében. Természetesen, felmerül a kérdés, hogy az alig 10 %-ban beadagolt bromidokból képződő HOBr mennyiség hogyan veheti fel a versenyt a maradék 90 % klórtartalmú biocid hatásával? A megoldás kulcsa az, hogy a HOBr oxidáló hatása során, a HOBr = HBr + ‘O’ a reakcióban újra bromidok képződnek, amelyek a hipó fölöslegével újfent hipobromitot, majd hipobrómossavat képeznek, vagyis a bromidoknak itt katalitikus hatása van. Külön előnye a rendszernek, hogy míg a 6.5-8.5 pH tartománybana

hypó az

ammóniával kis biocid aktivitású klór-amint (ClNH2) képez, a hipobrómossavból nagy biocid aktivitású brómamin (BrNH2) képződik. Itt kell megjegyezzük, hogy az R-N-Br típusú, nitrogénatomhoz kötött brómot tartalmazó szerves biocidok alkalmazása is egyre szélesebb teret nyer, amelyek fokozatosan és lassan hidrolizálva adják le a brómtartalmukat HOBr formába. A brómklór-dimetilhidantoin (BCDMH) hidrolízise (amely N-Br és N-Cl kötéseket tartalmazó anyag) hipobrómossavat és hipoklórossavat eredményez, és a hipobromitok elhasználódásakor keletkező bromidok aktivátorként hatnak a hipoklórossav illetve az abból képződő hipokloritok vonatkozásában. A hipokloritossók, mint a nátrium-hipoklorit (Hypó), vagy kalcium-hipoklorit (klórmész) alkalmazásánál a pH beállítása vagy bromidos aktivátor alkalmazása szükséges és ezen technológiai elemek kiküszöbölése érdekében a helyszínen fejlesztett klór-dioxid gázt vezettek be a vízrendszerek kezelésére. A módszer előnye, hogy a ClO2 hallatlanul

erős

robbanásveszélyes,

biocid,

ugyanakkor,

ugyanakkor

oldódik

fényérzékeny, vízben,

és

gáz oldatban

halmazállapotban már

robbanás

szempontjából veszélytelen, ugyanakkor rendkívül erős méreg és nagyon korrozív. Előnye, hogy nem klórozza meg a fenolokat, így a klórozott fenolok képződése elkerülhető. Nem könnyen reagál az ammóniával sem, és nem képez trihalometánokat sem. A pH 6-9 tartományban ugyanolyan erős biocid hatással rendelkezik. Általában in situ gázfejlesztőben készítik, a helyszínen, nátrium-kloritból sósavval vagy kénsavval. A leginkább kényelmes és biztonságos módszer, amikor nem klór-dioxid generátort használnak a gázhalmazállapotú biocid előállítására, hanem nátrium-klorit és nátriumperszulfát oldat elegyítésekor, szobahőmérsékleten, in situ hozzák létre egy <8 g/L gramm/liter koncentrációjú klór-dioxid oldat formájában, amelyet minden szempontból

IPARIVÍZ

159

biztonságosan tudnak beadagolni a kezelendő vízbe. A kereskedelemben kaphatóak a Cl4O102- anion szilárd sói, amelyek vízbe kerülve és hidrolizálva klór-dioxiddá bomlanak le. Ózon és peroxidok Az ózon instabil gáz, amely a helyszínen fejleszthető ózongenerátorokkal. Rendkívül erős oxidálószer, azonban korrozív, mérgező, és robbanásveszélyes. Behozhatatlan előyne, hogy az egyetlen bomlásterméke a színtiszta oxigén. A hidrogén-peroxid önmagában is erős oxidálószer, azonban nem túl stabil anyag, így inkább szerves savakkal alkotott vegyületei, így például a perecetsavval kerülnek leginkább felhasználásra. Maró hatású, komoly sérüléseket okozhat, bomlékony és drága anyagok, de nagyon hatékony biocidok. Az oxidáló biocidok esetében, egyszerű lehetőségünk van arra, hogy a vegyszer adagolást automatizáljuk, egyszerűen a rendszer redoxpotenciáljának mérésével és a kapott jel adagolószivattyúkra való továbbvitelével. A nem oxidáló biostat anyagok: A víz szennyezőanyagával általában nem lépnek reakcióba, ezért ott célszerű alkalmazni, ahol a recirkulációs hűtővíz szennyező anyag koncentrációja nagy. A nem oxidáló biocid hatását úgy fejti ki, hogy megakadályozza a mikroorganizmus valamely életfunkciójának megfelelő működését – például a tápanyag felvételét, és emiatt az elpusztul. A nem oxidáló biocidokat számos külföldi és hazai vegyigyár gyártja specifikus hatás területekkel. A gyakorlatban az oxidáló és nem oxidáló biocidokat legtöbbször felváltva alkalmazzák, a rezisztencia elkerülése érdekében. Jellemzően, kezelési programok vannak, ahol változó dózisban, különféle sorrendben alkalmazzák a szerves biocidokat, egyenletes emelkedő dózisú illetve sokk kezeléssel. Természetesen, az állandóan adagolt biocid helyett, sokk kezelésre egy teljesen más készítményt, vagy szervetlen, oxidáló hatású készítményt alkalmaznak. A jelenleg tipikusan használt készítmények közül ki kell emelni az úgynevezett kvaterner ammóniumsókat, amelyek 10-20 g/köbméter mennyiségben már kifejtik hatásukat. Hosszú szénláncuk által könnyen behatolnak a sejtmembránba, ott kifejtve hatásukat. Erős diszpergáló hatású szerek, így fellazítják a lerakódásokat, amelyek a mikroorganizmusok kitűnő táptalajai. Nagyobb dózisban alkalmazva erősen habzanak,

IPARIVÍZ

160

emiatt általában sokk-kezelésre kevésbé alkalmasak . Egyéb biocidokat szükségszerűen diszpergálószerekkel együttesen kell alkalmazni, a baktérium- és gombatelepeket, ill. fedő rétegeik megbontása céljából, a biocid számráa utat nyitva a hatás kifejtéséhez. A teljesség igénye nélkül, a leggyakrabban használt biocidok a 2-methyl- és 2-klór-4izotiazolin-3-on, a kvaterner ammóniumsók, valamint a glutárdialdehid. Szervetlen nem oxidáló biocidok is léteznek, például a rosszul oldódó réz és ezüst-vegyületek, maguk a kolloid fémek, és speciálisan hűtőtornyok kezelésére fejlesztettek ki olyan boroszilikát üvegeket, amelyekből ezek a

gombákra és mikroorganizmusokra nagyon toxikus

nehézfémek szépen lassan fokozatosan oldódnak ki, folyamatosan biztosítva a megfelelő biocid koncentrációt. Természetesen azok a szerves biocidok, amelyek tartalmaznak könnyen monitorozható csoportokat (például fluroeszcenciásan jól detektálható aromás gyűrűket) közvetlenül, amelyek nem, azok a megfelelően megválasztott, a kérdéses biocidhoz hasonló lebomlási karakterisztikával rendelkező monitorozható inaktív adalékokkal együtt adagolva automatikus szabályozással adagolhatóak. Ma már olyan széleskörű ismeretanyag halmozódott fel a kémia ezen területéről, hogy fejlesztettek ki már olyan optikailag aktív komponenseket is tartalmazó készítményeket (ez a biokémiai szelektivitás egyik kulcsa), amelyek egy molekulán belül hordozzák a biocid hatásért, a korrózióvédő hatásért és adott esetben a diszpergáló hatásért (vízkőgátlás) felelős csoportok

7.4. A recirkulációs hűtővízkör részáram-kezelése

A vegyszerezett és lebocsátás nélküli nyitott recirkulációs hűtővíz körben akkor szükséges részáram kezelést alkalmazni, ha a vízkörbe bejutó lebegő v. oldott szennyezések mennyisége meghaladja az elfolyó vízveszteségekkel távozó szennyező anyagok mennyiségét, de a többlet nem olyan nagy, hogy az összes retúrvizet kezelni kellene. Tehát a retúrvíz egy részét olyan mértékben kezeljük, hogy a tisztított és tisztítatlan rész keveredése utáni minősége (cR) kielégíti az alábbi egyensúly egyenletet. (69. ábra): QT = QR + QP QT .cT = QR cR + QP .cP ha c’H > cR Az eltávolítandó szennyező anyag áram: Szki = Q’H .c’H- QR .cR

IPARIVÍZ

161

69. ábra: Recirkulációs kör részáram kezelése A feladat tehát, hogy kiválasszunk egy olyan vízkezelési technológiát, melynek tisztítási hatásfoka c η= r c'H Az ezzel kinyerhető szennyező anyagáram: Szr = η Qr .c’H ha Szki = Szr akkor Q’H .c’H – QR .cR = η Qr c’H Ebből az egyenletből meghatározható, hogy mennyi retúr vizet (Qr) szükséges részáramban kezelni – az η hatásfokú berendezéssel – hogy a vízhasználónak az általa igényelt vízminőséget (cT) biztosítsuk: 1 c Qr = (Q' H −QR R ) η c' H Abban az esetben, ha a vízkezelő technológia hatásfoka más értékű, módosul a részáramban kezelendő víz mennyiség (fordított arány). A lebocsátás nélküli hűtővíz körbe számos diszperz és kolloidális szennyezés kerülhet, ami a forgatás során bedúsul: a.) A hűtőtorony v. cellahűtő levegőjének aerosol szennyezései. (1 m3 hűtővíz Δt = 10°C-os lehűléséhez kb. 1000 lm3 levegő átáramoltatása szükséges, amit a hűtővíz

IPARIVÍZ

162

kimos. Ez a szennyezés, a légköri viszonyoktól függően időszakos, de lehet igen jelentős és változatos összetételű. b.) A másik jelentős mikrodiszperz szennyezési forrás a bedúsult Ca(HCO3)2 kicsapódása CaCO3 kristályok formájában. A kőkiválást gátló inhibitorok ugyanis a CaCO3 kristályok össze- és a berendezések falára tapadását gátolják meg. A diszpergáló szerek adagolása pedig a kicsapódott kalcit mikrokristályok leülepedését gátolják a hűtőelemekben és a csővezetékekben, azonban ez a diszperz szennyezés, a rendszerben egyre dúsul. c.) A hűtővíz rendszerben keletkező és levált korróziós termékeket és az elpusztult biológiai szervezeteket szintén el kell távolítani. d.) A pótvízzel érkező lebegő szennyezések általában csekély mennyiségűek, mivel legtöbbször ez szűrt víz. e.) A vizes hűtő-elemekben elszennyeződhet a hűtővíz, ha nem zárt hűtőelemeket alkalmaznak. Ebben az esetben azonban ritkán használnak lebocsátás-, és teljes kezelés nélküli recirkulációt. Mivel a vízhasználó számára meghatározott vízminőséget szükséges biztosítani, a körben bedúsuló szennyezéseket folyamatosan el kell távolítani a retúrvízből. Ezt a feladatot a teljes retúrvíznek vagy részáramának szűrésével oldják meg. QP; cP – a pótvíz mennyisége és minősége (m3/h ;g/m3) QT;cT – a vízhasználó vízmennyiségi és minőségi igénye, QH; cH – a használt víz mennyisége és minősége Q’H; c’H – a rendszerben szennyeződött használt víz mennyisége és minősége, Qr; c’H – a részáramos kezelésre elszállított retúrvíz mennyisége és minősége, Q’R; c’H – a kezelésre nem kerülő retúrvíz mennyisége és minősége, Q’r; cr – a részáramban tisztított víz mennyisége és minősége QR; cR –a tisztítatlan és tisztított kevert retúrvíz mennyisége és minősége Szbe – a rendszerbe bejutó szennyező anyagáram (a pótvízzel érkező kivételével) [kg/h]. Szki – a rendszerből eltávolított szennyező anyagáram (az elfolyó vízveszteségek által elszállított szennyező anyagáram kivételével) [kg/h]. QVp – a rendszer párolgási vesztesége (ami nem visz magával szennyezést) [m3/h]. QVsz – a rendszer szivárgási vesztesége, QVk – a víz kezelése során elvesző víz A részáram kezelés természetesen nemcsak lebegő szennyezések esetén merülhet fel. Az oldott szennyezések kinyerése részáramban a megfelelő vízkezelő (lágyítás, ioncsere, RO stb.) berendezéssel valósítható meg. A részáram vízmennyisége ebben az esetben is ugyanezzel a képlettel határozható meg.

IPARIVÍZ

163

7.5. Hűtővíz veszteségek a nedves hűtőtornyokban

Az ipari üzemek által kitermelt vagy vásárolt vízből jelentős mennyiség elszivárog, elcsöpög, elpárolog vagy egyéb úton elhasználódik. Az elvesző hányad függ a vízszállítás, a-kezelés, a-használat üzemmódjától, a berendezések kialakításától és állagától. Mindezektől függően többféle vízveszteség csoportot különböztetünk meg: o Párolgási veszteség (QVp), o lebocsátási veszteség (leiszapolás)(QVl ), o kihordási és kezelési (QVt; QVk), o szivárgási, szóródási (QVsz). Ezek összege jelenti a recirkulációs hűtővízkör pótvíz igényét. A párolgási veszteségek meghatározása Vízveszteség abból adódik, hogy a víz hatékony, akár a levegő száraz hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékletre (is) történő lehűtéséhez intenzív párologtatásra van szükség, ami hőelvonással jár. A párolgási veszteség (amelyet általában a keringetett vízáram %ában adnak meg), számos paramétertől függ, amelyek közül a legfontosabbak: a hűtőzóna, a belépő levegő száraz hőmérséklete, a belépő levegő relatív nedvességtartalma, valamint a levegő és a víz tömegáramainak viszonyszáma. A mindenkori párolgási veszteség hő- és anyagátadási számításokból, vagy pl. a 70. ábrán látható, általánosított, vagyis minden nedves hűtőtoronyra alkalmazható nomogramból (Gősi, 1989) határozható meg pontosan. (A párolgási veszteség becslésére szolgáló, pl. csak a hűtőzóna és a vízáram hatását figyelembe vevő egyszerűsített képletek csak durva közelítésre alkalmasak, mert pl. a párolgási veszteség a nyári időszakban sokkal nagyobb, mint a téli időszakban stb.). Bizonyos ipari alkalmazásoknál (pl. fermentációnál) folyamatosan alacsonyabb vízhőmérsékletre van szükség annál, mint ami a nyári időszakban a nedves hűtőtornyokkal elérhető. Ilyen esetekben nedves hűtőtornyot és hűtőgépet (folyadékhűtőt) együttesen alkalmaznak. Tekintettel arra, hogy a hűtőgéppel történő hőelvonás energiaigénye (a hűtőkompresszor energia felvétele) többszöröse a nedves hűtőtoronnyal történő hőelvonás energiaigényének, a hűtőgépes hűtést csak az indokolt mértékben és a legszükségesebb víz fogyasztóknál alkalmazzák. A kompresszor energia felvétele nagymértékben függ a hűtőkörfolyamat kondenzációs hőmérsékletétől, ezért a kondenzátort nedves hűtőtoronyban, kis hűtőzóna mellett visszahűtött vízzel hűtik. A nedves hűtőtornyok értékelésével, szerkezeti elemeivel, üzemeltetésével kapcsolatos további részletek találhatók pl. (Gősi, 1998.) anyagban. A különböző ipari ágazatokban, a víz hűtése során elvesző különböző vízveszteségek közelítő meghatározása a következő alpontokban szerepelnek.

IPARIVÍZ

164

70. ábra

IPARIVÍZ

165

A párolgási veszteségek közelítő meghatározása Az ipari üzemek által használt víznek 85-90 %-a hűtési célokat szolgál. Ez azt jelenti, hogy a felhasznált víznek legnagyobb része hővel szennyeződik. Az ipari termelési folyamatokban felvett hőnek gyakorlatilag a teljes mennyiségét a víz a környezetének (levegő, talaj, stb.) leadja, tehát visszahűl, általában az eredeti hőmérsékletére. Ez a visszahűlési folyamat lehet mesterséges (hűtőtornyok, hűtőtavak) vagy természetes (csatornák, medencék, befogadó vízfolyás). A vízvisszahűlési folyamat párolgással jár, ahol a vízből elvont hőmennyiség túlnyomó része (60-99 %-a, léghőmérséklettől függően) párolgási hőelvonás útján távozik, és csak a töredék rész cserélődik közvetlen hőátadással (víz esetén konvekcióval) vagy kismértékben sugárzással. A hűtővízrendszer különböző pontjait (szakaszait) vizsgálva, a következő párolgási veszteségeket különböztethetünk meg: a gyártástechnológia nyitott (felületi) hűtőin elpárolgó víz, a termeléstechnológia egyéb elpárologtató berendezéseinek vízveszteségei (szárító, főző, bepárló stb.), a víz visszahűtésekor elpárolgó víz (hűtőtorony, hűtőmedence stb.), a vízgazdálkodási létesítményekben, berendezésekben, tartózkodás vagy szállítás közben elpárolgó víz (csatornák, tárolók, vízkezelők stb.), használt hűtővíz lebocsátása után a befogadóban természetes visszahűléskor elpárolgó víz (folyókban, tavakban). A párolgási veszteség (QVp l/h) egyenesen arányos a párolgási hőelvonás útján távozó hőmennyiséggel (G kJ/h), ami a gyártástechnológiából ismert adat. Fordítva arányos a víz párolgási (rejtett) hőjével (r), amelynek értéke légköri nyomáson 100 оC-on = 2257 kJ/kg (539 kcal/kg), a hűtőtornyok átlagos közép hőfokán: 35°C-on = 2.416 kJ/l (577 kcal/l). Tehát GT = ρ ⋅ c'⋅QT ⋅ Δt T (kJ/h)

A víz által felvett és eltávolítandó hőmennyiség meghatározása a visszahűtés, ill. visszahűlés céljára, a gyártástechnológiai hőmérlegének ismerete (direkt meghatározás) nélkül, indirekt úton is elvégezhető. Pl. a gyártástechnológia zárt hűtőelemében elvont hőmennyiség (hőáram = GT) számítható a technológiai hűtőelemekre belépő vízhőfok (t1) és az onnan kilépő hőfok (t2) különbsége (ΔtT), valamint a vízhozam ismeretében (QT): ahol: c’ – a víz fajhője (az a hőmennyiség, ami 1kg ≅ 1l víz hőmérsékletét 16,5 °C-ról, atmoszférikus nyomáson, 1 oC-kal megemeli) 4,1868 kJ/kg°C, ami régi mértékegységben: 1 kcal/kg°C. ρ – a víz sűrűsége (egységnyi térfogatú anyag súlya) ≅ 1kg/l. Meglévő hűtőtoronyban a vízből elvont (visszahűtött) hőmennyiség (GH) is hasonlóan számítható a hűtőtoronyba be- és kilépő vízhőmérsékletek különbségének (ΔtH) ismeretében: G H = ρ ⋅ c'⋅QH ⋅ Δt H (kJ/h) Zárt technológiai hűtőelemek esetén:

IPARIVÍZ

166

GT ≈ GH A párolgási veszteséget azonban nem lehet általánosan, a víz által leadott teljes hőmennyiségből (hőáramból) számítani. Amint az már az előzőekben ismertetésre került, a hő távozása háromféle úton történik. A párolgási hő útján távozó hőmennyiség-rész függ a hűtésben részt vevő természetes levegő mindenkori hőmérsékletétől, relatív páratartalmától és mennyiségétől, a hűtővíz hőmérsékletétől, a hűtőelemek kialakításától stb. Tehát az eltávozó hőmennyiségnek (G) csak bizonyos része (p %) távozik a párolgási hő útján. Tehát a párolgási veszteség:

Qvp =

p G ⎛ kJ .l l ⎞ = ⎟ . ⎜ 100 r ⎝ h.kJ h ⎠

A p% értékének pontos meghatározása csak az előző részben felsorolt számos, változó tényezőnek ismeretében lehetséges, ami a gyakorlatban nem követhető módszer. Ezért a párolgási veszteségek meghatározásakor a p értékét gyakorlati tapasztalat alapján átlagos értékekkel helyettesítik (a max. párolgási veszteség meghatározásakor p = 100 %-kal számolunk) (Gábor, 1980). A „p” közelítő értékei: - nedves hűtőtorony és hűtőcella esetén: tavasszal, nyáron, ősszel p = 75-100 % télen p = 50-70 % - hűtőtó és hűtőmedence esetén: tavasszal, nyáron, ősszel p = 70-90 % télen p = 30-60 % - technológiai felület-hűtés esetén: tavasszal, nyáron, ősszel p = 60-80 % télen p = 40-50 % -

frissvíz-hűtés esetén, visszahűlés a befogadóban: nyáron, ősszel p = 50-60 % tavasszal p = 40-50 % télen p = 20-40 %

Télen, jeges vízjárás idején a befogadóba bocsátott hőmennyiség túlnyomó részét a jég olvasztása használja el. (A jég olvadáshője = 335 kJ/kg = 80 kcal/kg; - 1 liter 0°C-os jég = 0,916 liter 0°C-os víz). A technológiai felülethűtőkön elpárolgó víz mennyiség meghatározása esetében a technológus által szolgáltatott elvonandó hőmennyiség adatából (GT) le kell vonni a hűtővízzel (QT) távozó GT − GT 2 = GT 1 GT 2 = ρ ⋅ c'⋅QT ⋅ ΔtT

hőmennyiséget (GT2). Az így kapott, környezetbe távozó hőmennyiségből (GT1) számítható a technológiai felülethűtőkön elpárolgó vízmennyiség:

167

IPARIVÍZ

GT 1 r A termelési technológiák egyéb szárító-, főző-, bepárló- stb. berendezéseiben elpárolgó vízmennyiséget általában nem párolgás alapján határozzuk meg, hanem mint kihordott vízveszteséget, az érintett ipari termék víztartalmával együtt számítjuk. Az egyéb vízgazdálkodási létesítményekben bekövetkező párolgási veszteség értéke általában nem számottevő, a gyakorlatban elhanyagolható. Kivételt képeznek azok a kettős funkcióval rendelkező létesítmények (pl. gázmosó, ülepítője, vagy gázstrippelő torony stb.), ahol magas hőmérsékleti tartományban a víz visszahűtést is végez. Ebben az esetben a párolgási vízveszteségek a hűtőmedencék, ill. hűtőtornyok mintájára határozhatók meg. QVpT =

A kihordott vízveszteségek Az ipari termelési folyamatokban igen gyakran használnak fel vizet a termék nedvesítésére, képlékenyítésére, hígítására, vagy éppen annak alapanyagaként (pl. az italok vagy a vízgőz előállítására). Az ipari termékek vízzel érintkezve (mosás, öblítés, hűtés stb.) gyakran jelentős vízmennyiséget hordanak ki a rendszerből. A gyártástechnológiákból kikerülő hulladékokat nedvesítik vagy hidraulikusan kiszállítják, ezért azok szintén kihordanak több-kevesebb vizet. A víz és szennyvíz kezelése folyamán az iszapokkal, uszadékokkal, valamint az öblítő- és regeneráló vizekkel ugyancsak tekintélyes vízmennyiségek távoznak, amelyek teljes mértékben vízveszteségként kezelendők, kivéve a csurgalékvizeknek azt a részét, amit visszaforgatnak. Tehát a kihordási és vízkezelési veszteségek a következőképpen csoportosíthatók: - a gyártott termékben felhasznált víz, - a gyártott termékkel kihordott víz, - a hulladékkal kihordott víz, A gyártott termékbe bedolgozott vagy gyártásuk közben elhasznált, kihordott vízmennyiségek értékei a termeléstechnológia folyamataiból számítható, tehát a vízgazdálkodó a gyártástechnológiából kiinduló adatként beszerzi. Ugyancsak gyártástechnológiai alapadat az ipari termékkel és a hulladékokkal távozó, kihordott vízmennyiség is. Az ipar hidromechanikusan szállított nyersanyagai, termékei és hulladékai (pl. szén, érc, cukorrépa, salak stb.) szállításakor az anyagban maradó vízzel tekintélyes vízmennyiséget hordanak ki. A zagy vízmennyiségének csökkentése, ill. visszanyerése az üzemekben részben megoldott, illetőleg megoldandó feladat. A szállított zagy szilárd-folyadék aránya a korszerű berendezésekben (csőkamrás, sűrítőkamrás adagolók) 1:1 – 1:3. Annak ellenére, hogy a zagytéren a csurgalékvizet a legtöbb esetben összegyűjtik, az anyagban maradó víz egy része elszivárog, a másik része elpárolog, ezért a vízveszteség gyakran a vízforgalom 10-20 %-a is lehet. A víz kezelése közben elvesző vízmennyiségek A vízkezeléskor kinyert iszap és uszadék tekintélyes vízmennyiséget visz az iszap- (zagy-) térre vagy a víztelenítőbe. Az iszapoló, ill. az iszapvíztelenítő csurgalékvizet ugyan a legtöbb esetben visszanyerik, mégis az iszapban maradó víz mennyisége legtöbbször nem hanyagolható el. Ez

IPARIVÍZ

168

függ a kezelés módjától, az iszap mennyiségétől, az iszap szerkezetétől, tehát a víztartó képességétől. Ugyancsak számottevő a kihordási veszteség a homok- és kavicsszűrők, valamint az ioncserélők öblítővizeinél. A kibocsátott víz mennyisége függ a szűrési, ill. az öblítési technológia kialakításától. Az öblítővizek visszanyerési lehetőségei pedig a víz szennyezettségétől, az alkalmazott kezeléstechnológiáktól és az újrahasználat lehetőségeitől függ. A következő felsorolásban szereplő víz- és szennyvízkezelési műveletek kihordási vízveszteségei csak közelítő, becsült értékek, közepesen fejlett technológiákat feltételezve (a kezelt víz %-ában): 0,1 – 1,0 % - ülepítés - derítés 0,5 – 2,0 % - homok- (kavics-) szűrés 1,0 – 3,0 % - meszes lágyítás 2,0 – 4,0 % - Na-ioncsere 0,5 – 1,0 % - vegyi sótalanítás 1,0 – 2,0 % - olaj, zsír durva kinyerés 0,2 – 0,5 % - semlegesítés 1,0 – 3,0 % - egylépcsős biológiai kezelés 2,0 – 4,0 % - kétlépcsős biológiai kezelés 3,0 – 6,0 % - nedves visszahűtés (kihordás) 0,2 – 0,5 % - száraz visszahűtés 0,01 – 0,05 % - hűtővas visszahűtés (szivárgás + párolgás) 5,0 – 10,0 % A szivárgási, szóródási veszteségek Az ipari üzemek vízszállító, -elosztó és használt vizeket elvezető és visszaforgató nyomóvezeték és csatornahálózatain, annak műtárgyain, méretétől, kiterjedésétől, anyagától, üzemi viszonyaitól és karbantartásától függően igen nagy mértékben változó szivárgások tapasztalhatók. Az elszivárgó vízveszteség átlagon felüli mértéke általában észlelhető és az megfelelő karbantartással kiküszöbölhető. Az üzemi „hálózati veszteségek” a gyakorlati tapasztalatok alapján, a következő becsült értékekben határozhatók meg (a vízforgalom %-ában). igen nagy vízforgalmú (10.000 m3/h felett) viszonylag kis kiterjedésű és kevés vízhasználóval rendelkező hálózat az anyagától és átlagától függően 0,01 – 0,03 %. nagy vízforgalmú (500-10.000 m3/h), kis kiterjedésű és kevés vízhasználóval rendelkező hálózat anyagától és állagától függően 0,02 – 0, 08 % nagy vízforgalmú, nagy kiterjedésű és sok vízhasználóval rendelkező hálózat az anyagától és állagától függően: 0,2 – 1,0 % közepes vízforgalmú (50-500 m3/h) kis kiterjedésű és kevés vízhasználóval rendelkező hálózat és anyagától és átlagától függően: 0,1 – 0.2 % közepes vízforgalmú, nagy kiterjedésű és sok vízhasználóval rendelkező hálózat anyagától és állagától függően 0,5 – 1,5 % kis vízforgalmú (50 m3/h alatt), kis kiterjedésű és kevés vízhasználóval rendelkező hálózat az anyagától és állagától függően 2,0 – 3,0 %. Az ipari üzemek vízgazdálkodási rendszerében gyakran találhatók nagy vízmennyiségeket tároló, kezelő létesítmények, amelyek szivárgási veszteségei nemegyszer igen nagyok. Ez akkor

IPARIVÍZ

169

lehetséges, ha a létesítmény (tározó, hűtőtó, medence stb.) anyagának kiválasztása vagy a kivitelezés módja nem megfelelő és így a víz alatti falazat nem vízzáró. Megfelelő létesítés és karbantartás esetén a szivárgási veszteség számítása a nedvesített falfelület alapján, a vízmélység függvényében végezhető, amelynek az átlagos értékei a következők: vízzáró beton medencék esetén a megengedett szivárgás: 0,4 1/m2/d, vízzáró beton vízáteresztő képességi együtthatója: K = 4 x 10-7 cm/s homokos kavicstalaj vízáteresztő képességi együtthatója: K = 10-2 cm/s (8640 1/m2/d) agyagtalaj vízáteresztő képességi együtthatója: K = 10-8 cm/s (0,001 1/m2/d) A szóródási veszteségek: A hűtőtornyoknál a huzat által elragadott vízcseppek kiszórásra kerülnek és az erősebb szél a hűtött víz permetet oldalt kiszórja. A ventillátoros hűtőcelláknál ugyanilyen víz kiszóródással találkozunk. A hűtő medencéknél, ahol a meleg vizet „vízágyúval” magasan lövik be, erős szél esetén igen nagy szóródási veszteség lép fel. A hűtőtorony vagy cella cseppfogói ha nem megfelelőek, a huzat által elragadott cseppkihordás csak akkor jelentős (Qr-nek 0,05 %-a). A szélveszteség időszakaszosan azonban lehet igen jelentős (Qr-nek 0,5-1,5 %-a). A lebocsátás (leiszapolás) A recirkulációs köröknél a leiszapolás azért szükséges, mert a párolgás következtében a keringetett vízben a szennyezőanyagok és oldott sók koncentrációja megnövekszik. A keringetett vízben kialakuló és a pótvízben lévő koncentrációk hányadosa az ε besűrítési tényező, amelynek szokásos értéke általában 2 és 5 között van. A szükséges leiszapolás (a keringetett vízáram %ában kifejezve) a következő képlettel számítható ki: QVl = QVp / (ε – 1) ahol QVl: a leiszapolás a keringetett vízáram %-ában QVp: a párolgási veszteség a keringetett vízáram %-ában ε: a besűrítési tényező. A fenti képletből kiolvasható, hogy ha pl. ε = 3 értékű besűrítési tényezővel üzemeltetjük a rendszert, akkor a párolgási veszteség felét kitevő leiszapolásra van szükség. A teljes pótvízigény így (a cseppveszteség, szóródási és egyéb veszteségek elhanyagolásával) a mindenkori párolgási veszteség 1.5-szerese. 8. AZ IPARI KAZÁNOK VÍZELLÁTÁSA

Az ipari kis és nagy teljesítményű gőzkazánok, valamint a meleg – és forróvizes kazánok és hőköreinek víz – ill. gőz minőségi előírásait az MSZEN.12952-12:2003 tartalmazza. Üzemeltetésükkel kapcsolatban azonban a vízelőkészítés, a minőség ellenőrzés és a szükséges beavatkozások területén számos hiányossággal és azok hatásaival találkozunk. A vizes kazánok estében a hő körökben a nem megfelelő vízminőség a hőtermelő, a hőleadó elemekben és a hálózatban egyaránt jelentős károkat okoz. A fellépő gyors korrózió a létesítmény élettartamát jelentősen lerövidíti. A kőkiválás és lerakódás a berendezéseket a hőátadó főfunkciójukban nagymértékben gátolják. Mind a forróvizes, mind a melegvizes hőkörökben, ahol nincs elgőzölögtetés, lényegesen alacsonyabb vízminőségi követelményeket támasztanak, mint a gőzkazánok esetében, ahol már jelentős vízelőkészítést végeznek.

IPARIVÍZ

170

8.1. A kazánok vízrendszerében fellépő káros hatások kiküszöbölése 8.1.1. A vízminőség korróziós hatása

-

-

-

A rendszer általános korróziója ellen a pH értéket 7 fölött kell tartani (pH=7-9). Alumínium szerkezet jelenléte esetén (pl. radiátor) a pH < 9,0 értékű lehet. A klorid, szulfát és nátrium ionok koncentrációjának emelkedése növeli, a nitrát ion csökkenti a lyukkorrózió sebességét A kazánvíz 0,1 mg/l fölötti oxigén tartalma korrózióveszélyes. Lényegesen ez alatti szint alatt lehet tartani az O2 tartalmat, a termikus gáztalanítással. A réz anyagú elemet tartalmazó körben a kirakódott rézI oxid környezetében lyukkorrózió jelentkezik. Ugyancsak nő a lyukkorrózió veszélye, ha a Mn2+ tartalom magas. Kivéve, ha a hidrogén karbonát/szulfát arány > 2-nél. Az alumínium szerkezetek vízoldali felületén alacsony hőmérsékleten bayerit [Al(OH)3] forróvizes körben pedig böhmit [AlO(OH)] védőréteg alakul ki. Sószegény vízben ezek a rétegek a korrózió ellen stabil védelmet nyújtanak az alumínium felületnek. Ionmentes vízben szóda v. nátronlúg jelenléte ezt a védőréteget károsítja. Ugyancsak károsítják a védőréteget a Cl- és SO2-4 ionok (Cl- = 50100 mg/l; SO2-4 = 100-200 mg/l felett) Nagyobb keménységű vizek esetén, ha a réztartalom 1 mg/l feletti, jelentős galván korrózióval kell számolni. A vasoxid szemcsék az alumínium felületén lyukkorróziót okoznak.

8.1.2. A hőmérséklet hatása a korrózióra

-

A zárt rendszerekben a hőmérséklet-emelkedéssel folytonosan növekszik a korróziós veszély. Nyitott rendszerben, ahol a hőmérséklet hatására az oxigén eltávozik. (oxigén-szegény vízben) a korrózió sebesség 70-80°C-nál a legnagyobb, utána csökken.

8.1.3. Az áramlási sebesség hatása a korrózióra

-

A rendszerben áramló víz sebessége, ha v < 0,3 m/s-nál az áramlási árnyékokban lerakódások vízkőkiválás jön létre és alatta a különböző korróziós hatások fellépnek.

-

Nagy sebességek esetén pedig a felületen kialakult védőrétegre a víz eróziós hatást gyakorol, tehát károsítja azt. Ezért a lebegő szennyezést is tartalmazó víz sebességét v = 0,3 – 2,0 m/s között célszerű megválasztani. Lebegőanyag-mentes víznél ezek a sebesség határok v = 0,1 – 3,0 m/s. (A hőtechnikai igények ugyanis a nagy sebességeket helyezik előtérbe, mivel ott a turbulencia miatt a hőátadás lényegesen növekszik.)

IPARIVÍZ

171

8.1.4. A vízkőkiválás megakadályozása

-

-

A fűtő rendszerek feltöltő (utántöltő) vizeit trinátrium-foszfátos lágyítással kezelik, ami megakadályozza a berendezések felületeinek vízkövesedését. Helyette finom iszap formájú hidroxidapatit képződik, amit gyakran le kell iszapolni. A trisó adagolásakor figyelemmel kell lenni a rendszerben lévő szerkezeti anyagokra megengedett pH max. értékekre. A Na+ ciklusú ioncserés lágyításnál nagymennyiségű NaHCO3 keletkezik, ami hő hatására elbomlik: NaHCO3 → NaOH + CO2. A CO2 ugyan közömbösíti a NaOH nagyrészét, de hosszabb üzem során a pH érték káros növekedése nem zárható ki. A Na+ cserélt utántöltő víz esetén is indokolt a foszfát (15-20 mg/l) és szulfit (20-25 mg/l) adagolás. A mágneses vízkezelés esetén vízkövesedésre hajlamos vizet permanens v. dinamikus mágneses téren vezetik át, ahol a vízkő kristályképződési tulajdonságai megváltoznak (diszperz kristályok) és nem keletkezik szilárd összefüggő vízkő a berendezések falán. Az eljárás hatásmechanizmusa jelenleg még ismeretlen és nem tudják megbízhatóan eldönteni, hogy melyik víznél működik és melyiknél nem. Célszerű próbaüzemmel eldönteni.

8.1.5. Inhibitorok adagolása

-

A fűtő rendszerekbe jelenleg már csaknem kizárólag komplex inhibitorokat adagolnak, ami mind a kőkiválást, mind a korróziót gátolja (fékezi). A jelenlegi korszerű inhibitorok túlnyomó részben szerves anyagok, mérgező anyagokat csak kismértékben tartalmaznak. Az O2 korrózió ellen a nagyobb nyomású kazánoknál a tápvízbe oxigén megkötő vegyszereket adagolnak (hidrazin, levoxin, morfolin alapú szerves vegyszerek).

8.2. A gőzkazánok vízellátása

A gőzkazánok tápvíz ellátását ill. a póttápvíz kezelésének mértékét alapvetően befolyásolja a visszatérő kondenzvizek mennyisége és minősége, valamint a kazánvíz biztosítandó minősége (70/a. ábra).

IPARIVÍZ

172

70/a. ábra: Gőzkazánok vízrendszerének vázlata Az ipari üzemek jelentős részébe a kondenzvíz gazdálkodás ésszerű végrehajtása igen fontos feladat. Az ezzel kapcsolatos gazdasági vizsgálatok általában nem teljes körűek. Ugyanis ez esetben nemcsak a visszavezetés és esetleg a kezelés beruházási- és üzemköltségeit kell figyelembe venni, hanem a következőkkel is számolni kell: A kondenzvíz sótalan víz, a póttápvíznél jobb minőségű. Tehát ha több kondenz kerül a tápvízbe nemcsak kevesebb póttápvizet igényel a hőkör, hanem kisebb költségű póttápvíz kezelést kell megvalósítani. A magasabb minőséget biztosító vízkezelés esetében nagyobb mennyiségű és veszélyesebb környezetet szennyező anyag kerül ki a műveletekből, ami költséges szennyvíztisztítást igényel. A közvetlen tápvízkörbe kapcsolás esetén a kondenzvíz igen jelentős hőmennyiséget is képvisel. A kondenzvizek üzemi hőkörökben gyakran szennyeződnek korróziós termékekkel és egyéb vízzel pl. csapvízzel (Ca2+; Mg2+), amit legtöbbször érdemes tisztítani (kavicsszűrés, Na+ csere). Tehát az ipari üzemek kondenzvíz gazdálkodásában még számos kihasználatlan tartalék található. A nagynyomású kazánok póttápvizének gyakorlatilag sótalannak, lebegő- és szervesanyag-mentesnek kell lenni, és ez még inkább követelmény a visszatérő kondenzeknél. A nagynyomású kazánok póttápvíz előkészítésével a harmadik fejezet részletesen foglalkozik.

IPARIVÍZ

-

-

-

-

-

-

173

A nagynyomású gőz kondenzátuma ritkán szennyeződik, a gőz közvetett használata miatt. A kisebb nyomású gőzkazánok esetében, ahol a tápvíznek keménység és lebegőanyagmentesnek kell lennie, a szennyezett kondenzek kezelése egyszerűbb és olcsóbb feladat ( 3. Fejezet vízkezelési technológiái). A kondenzvizeket részleges és időszakos szennyeződés esetén érdemes ún. „őrszűrőn” átvezetni (Na+ cserélő, vagy homokszűrő, vagy mindkettő). Az időszakos szennyezés miatt az üzemeltetésük egyszerű és kisköltségű, a ritka regenerálási igény következtében (normál esetben 1-3 havonta). A kondenzvíz szűrő és ioncserélő oszlopokat hőszigeteléssel ellátott fémtartályokkal kell kialakítani. A kondenzek ioncserélő gyantái a fémion szennyezések és a magas hőmérsékletek miatt rövidebb élettartamúak, mint a hidegvizes ioncserélőké, ami 5-10 év. A gyanta regenerálását a kondenzvíz hőmérsékletéhez hasonló regeneráló és öblítő folyadékkal kell végezni. Amennyiben a gyanta a hasznos kapacitásának kb. 50 %-át elvesztette, töltetcserét kell végrehajtani. Amennyiben a visszatérő kondenzvíz szennyezettsége eléri vagy meghaladja az 1nk°-ot, feltétlenül érdemes a szennyezés okát feltárni és megszűntetni. Az ioncserélő oszlop hidraulikai ellenállásának szokatlan megnövekedése azt jelenti, hogy a rendszerben megnőtt a korróziós termékek szennyezése, amit a gyantatöltet kiszűrt. Ebben az esetben regenerálás helyett elegendő egy ellenáramú mosatás. Az intenzitását úgy kell megválasztani, hogy gyantakihordás ne következzen be. A gyártástechnológiákban használt gőzök kondenzei különböző anyagokkal szennyeződhetnek. Ezeknek eltávolítása is különböző eljárásokkal lehetséges. Ezért csak az azonos kezelési eljárással tisztítható kondenzvizeket szabad egy hálózaton és egy kondenztartályba gyűjteni. Az ipari kondenzátumokat úgy kell tisztítani, illetve akkor lehet közvetlenül hasznosítani, ha a minősége a tápvíz előírásának eleget tesz. Na+ cserés pótvíz lágyítás a víz sótartalmát nem csökkenti csak a víz keménységét okozó ionokat nyeri ki. Az általában nagy mennyiségű NaHCO3- a termikus gáztalanítóban felbomlik Na2CO3-ra, hosszabb idő alatt, hő hatásra tovább bomlik NaOH-ra. Ez pedig a kazánvíz ellúgosítását, felhabzást és lúgridegséget okoz. Ezért a tápvíz minőségi előírásai között szigorú követelményként szerepel a CO2, illetve az m lúgosság max. értéke. Ez azt jelenti, hogy a különböző nyersvizek Na+ cserés pótvíz előkészítése esetén legtöbbször a HCO3- tartalom határozza meg, hogy a termelt gőznek hány százalékos kondenz visszavezetése esetén elégséges ez a fajta pót tápvíz kezelés. Pl. a budapesti csapvízből (m ≈ 3,7 mekv/l) Na+ cserélt póttápvizet csak akkor szabad alkalmazni, ha a termelt gőz 84 %-a kondenzvízként visszatér. Ha a nyersvíz m lúgossága 6 mekv/l már 90 % kondenz visszavezetés szükséges. Természetesen a kondenzátum visszanyerés igényét nemcsak a CO2 szint befolyásolja (SiO2 és a szerves anyagok stb.). Amennyiben a visszatérő kondenz a kiszámoltnál kevesebb, a pótvizet részlegesen kell sótalanítani. Nagy kondenzvíz veszteségek esetén pedig a póttápvíz előállítása teljes sótalanítással történik.

IPARIVÍZ

174

Külön vizsgálatot igényel azonban a nyersvíz oldott szervesanyag tartalma, amit a hagyományos alap sótalanító (H+ - OH-) nem csökkent. Nagy szervesanyag tartalom esetén tehát vagy nagy kondenzvíz visszanyerés, vagy szerves anyag eltávolítás (aktív szénszűrés, vagy scavenger) szükséges, a kazánvíz habzásának elkerülésére. A teljesen sótalanított póttápvízhez is – a tápvíz minimum 8,5 pH biztosítására – adagolni kell trisót és nátronlúgot, de figyelni kell arra is, hogy a pH max = 9,5 értéket a tápvíz ne lépje túl, ellenkező esetben habzás, gőzelsózódás, lúgridegség lép fel. A gőzkazánok lelúgzása, (lesózás, leiszapolás) a hűtővíz rendszereknél is tárgyalt minőségi egyensúly alapján számítható, mely szerint a kazánvíz sótartalma akkor állandó, ha az oda bevitt és onnan távozó sómennyiségek egyenlők: (100 + L) ctv = 100cg + Lckv ahol: L – a folyamatosan lebocsátott kazánvíz mennyisége, a termelt gőz százalékában ctv – a tápvíz sótartalma mg/kg cg – a gőz sótartalma mg/kg ckv – a kazánvíz megengedett sótartalma mg/kg c −c L = tv g ⋅100% ckv − ctv Jó minőségű gőz esetén a cg elhanyagolható: c tv L= ckv − ctv A tápvíz kondicionálása A tápvíz kondicionálásának célja, a rendszer szerkezeti anyagának korrózió elleni védelmét szolgáló védőréteg kialakítása. A kazánüzemi technológiákban háromféle kémhatású vízüzem alakult ki (lúgos, semleges, kombinált) az ipari kazánok esetében általában a lúgos vízüzemet alkalmazzák. Ennek lényege, hogy a lúgos állapotot (pH = 8,5-9) a kazánokban nem illó szerekkel (nátronlúg, trinátriumfoszfát), a tápvízbe és a kondenzvízbe az illó lúgosító szerekkel (ammónia, hidrazin vagy aminok) biztosítják. A lúgos vízüzem megvalósítható akár sómentes (∑S < 0,2 μS/cm), akár sós tápvízzel. A szerkezetek vízoldali felületén kialakuló védőréteg a magnetit réteg, ami ha megsérül (kémiai vagy fizikai hatásra) elindul a védtelen fémfelület korróziója.

9. AZ ÜZEMI VÍZGAZDÁLKODÁS RENDSZER-TERVEZÉSE 9.1. A rendszer-tervezés fázisai 9.1.1. A tervezés előkészítő fázisa

-

A vízhasználó ipari technológiák vízzel szemben támasztott mennyiségi és minőségi igényeinek (az üzemi adatoknak) felülvizsgálata. A használtvíz szennyezések mértékének és üzemi viszonyainak vizsgálata.

IPARIVÍZ

-

175

A helyi beszerezhető víz (felszíni, felszín alatti, vagy külső használtvíz) mennyiségének, minőségének és költségeinek vizsgálata. Az üzemben keletkező a környezetbe (élővíz, közcsatorna, szennyvíz hasznosítás stb.) kibocsátható víz-szennyező anyagok fajtáinak és mennyiségének vizsgálata. A használtvíz újrahasználati lehetőségeinek vizsgálata. A használtvízben lévő szennyezőanyagok belső vagy külső hasznosítási lehetőségeinek (költségeinek) vizsgálata. A közműves vízellátás és szennyezett használtvíz elvezetés lehetőségeink (költségeinek) vizsgálata.

9.1.2. A tervezési fázis

-

A beszerezhető vízmennyiségekkel való vízigény kielégítés lehetőségeink vizsgálata: - vízújrahasználatok esetén a pótvíz igénye, - vízhozam-kiegyenlítő tározás lehetősége, költsége, - távoli vízbeszerzés lehetősége, költsége, - a vízigény csökkentés lehetősége, költsége.

-

Az igényelt vízminőség előállítási lehetőségének vizsgálata: - a lehetséges vízkezelések és költségeik, - vízminőségi kiegyenlítő tározás lehetősége és költsége, - a vízminőségi igény módosításának lehetősége.

-

A használtvizekben lévő többlet szennyezések eltávolításának vizsgálata: - a szennyvizek kezelési lehetősége és költsége, a keletkezés ütemében, - a szennyvizek tározási (átlagosítási) lehetősége és költsége, - a szennyvizek előkezelési lehetősége és költsége (közcsatornába bocsátáskor), - az ipari technológiákból vízbe jutó szennyezések csökkentési lehetőségei és költségei, - a vízszennyező anyagok hasznosítási lehetőségei és költségei.

-

A vízellátás üzemviteli követelményeinek vizsgálata: - nagy vízigényű vízhasználók recirkulációs vízhasználati feltételének meghatározása és költségei, - magas üzembiztonságot igénylő vízhasználók recirkulációs vízhasználati feltételeinek meghatározása, - a soros vízhasználatok feltételeinek meghatározása, - a szakaszos ill. változó vízigényű vízhasználatok igényeinek és azok egyidejűségének meghatározása.

-

A vízhasználó technológiák üzemzavarának a vízrendszerre gyakorolt hatásvizsgálata: - vízigény növekedés, csökkentés mértéke, (vész-vízellátás), - vízszennyezés növekedés vagy csökkenés mértéke (vész-tározás).

-

A vízrendszer üzemzavarának a gyártástechnológia berendezéseire és üzemvitelére gyakorolt hatás-vizsgálat: - a vízhasználó helyek vízhiány-tűrőképessége, - vízhiány miatti berendezés károsodás (robbanás, leégés, beolvadás stb.).

IPARIVÍZ

176

- vízhiány miatti termelés kiesés. -

A vízrendszer üzemzavarának a környezetre gyakorolt hatás-vizsgálata: - szennyvíz-befogadó elszennyezése mértékének vizsgálata, - a talaj elszennyezése mértékének vizsgálata, - a levegő elszennyezése mértékének vizsgálata.

-

A nagy vízigényű és jelentősen szennyező vízhasználó folyamatok vízhasználati alrendszereinek kiválasztása: - átfolyó vízhasználat műszaki, gazdasági vizsgálata, - recirkulációs vízhasználat műszaki, gazdasági vizsgálata,

-

A vízhasználati alrendszerek kapcsolási változatainak műszaki, gazdasági vizsgálata: - párhuzamos kapcsolású átfolyó vízhasználatok, - soros kapcsolású átfolyó vízhasználatok, - párhuzamos kapcsolású recirkulációs körök, - sorba kapcsolt recirkulációs körök, - vegyesen kapcsolt vízhasználati alrendszerek,

-

Alrendszerek szükséges egyensúlyi komponenseinek meghatározása: - mennyiségi egyensúly vizsgálata, veszteségek és pótvíz utánpótlás meghatározása, - kritikus vízminőségi egyensúlyok vizsgálata (mész-szénsav egyensúly, korróziós hajlam, kiülepedési hajlam, biológiai túlprodukciós hajlam, stb.). - besűrítési viszonyok meghatározása,

-

A frissvíz beszerzés, szállítás, kezelés, tározás, és elosztás tervezése: - felszíni, vagy felszín alatti vízbeszerzés, - közműves vízbeszerzés, - külső használtvíz újrahasználat.

-

A hulladék vizek (szennyvizek) kezelésének és elhelyezésének tervezése: - szennyvíz kezelés és elvezetés (hasznosítás) változata - a kinyert vízszennyező anyagok hasznosításának ill. elhelyezésének változatai,

-

A rendszerben a víz-térfogatáram, a -minőség és a -nyomás mérések (mintavételek) berendezéseinek és helyének megtervezése: - a víz és használtvíz rendszerben a térfogat-áram mérők helyének meghatározása, - a kritikus vízminőségi komponensek mintavételi helyének és a mérendő komponenseknek a meghatározása, - a víznyomás mérők helyének meghatározása.

-

A rendszer üzemirányításának tervezése: - az irányítandó, ellenőrzendő műveletek és ezekhez használandó műszerek és egyéb eszközök meghatározása, - a manuális, vagy automatikus vezérlési, valamint az emberi ellenőrzési pontok kijelölése,

IPARIVÍZ

177

- a folyamatokban mért eredmények jelzése, regisztrálása, automatikus, vagy kézi feldolgozása és értékelése, 9.1.3. A próbaüzemi fázis

-

A nyomás viszonyok ellenőrzése, A vízhozamok ellenőrzése, A vízminőségek ellenőrzése, A vízkezelő létesítmények hatásfokának ellenőrzése, A recirkulációs körök üzemének ellenőrzése: - vízveszteségek - vízminőségi paraméterek - besűrítés (ε) - kőkiválás - korrózió - kiülepedés - biológiai szennyezettség - funkciójának megfelelő egyéb paraméterek (pl. hőtranszport).

-

Üzemből kilépő vízszennyezőanyag transzport ellenőrzése, Üzembiztonsági berendezések üzemének ellenőrzése, Üzemirányító, szabályozó berendezések ellenőrzése: - érzékelő műszerek, - beavatkozó szervek - folyamatirányító berendezések (mikroszámítógépek és programjaik).

9.2. Az ipar frissvíz igénybevételének nemzetgazdasági szerepe

Az ipari üzemekben a frissvíz kihasználási tényező ( n ) Q technológiaivízigény n= T = QF frissvízigény képet nyújt az üzem frissvíz igénybevételének és gyakran a vízszennyezéseinek is a mértékéről. A vízkészletek ipari használatának mértékét egyértelműen jelzi az n értéke. Ez az érték átfolyó vízhasználat esetén természetesen 1,0. Erőműveknél teljes recirkuláció esetén, elérheti az 50-et. Egyéb üzemeknél általában 20 körüli érték. Ezt az értéket nevezik még vízforgatási számnak is (ezt a fogalmat azonban csak elméletileg fedi). Tehát az n érték reciproka azt is jelzi, hogy egy üzem a teljes vízigényének hány %-át szerzi be friss vízből Pl. n = 20: 1 ⋅100 = 5% 20 Egy üzem vízgazdálkodásáról az n érték ismeretében azonban még nem lehet bírálatot mondani. Ugyanis annál az üzemnél, amely pl. a Duna partjára épült, nem biztos, hogy nemzetgazdasági szempontból helyeselhető egy magas n érték. Egyre gyakrabban előfordul azonban, hogy a Duna melletti üzemben is ésszerű a magas n érték megvalósítása, amikor jelentős kezelést igényel a friss víz, a használat előtt (tehát gazdaságosabb a vízforgatás mert annak csak 2-5 %-a kezelendő, mint pótvíz),

IPARIVÍZ

-

178

vagy a használt vizek jelentős mértékben szennyezettek (tehát a teljes használtvíz mennyiség kielégítő szennyvíztisztítása költségesebb, mint a vízforgatás ill. az újrahasználat előtti vízkezelés, és a csekély mennyiségű, lebocsátott szennyvíz tisztítása).

Vízben szegényebb területeken mind üzemgazdasági, mind nemzetgazdasági szempontból ma már az ipari üzemekben csaknem minden esetben eredményesebb a magasabb n érték megvalósítása. 9.2.1. Az n szerepe a vízkészletek veszteségeinek alakulásában

Az ipari üzemekben az n értéke a vízkészletek igénybevételével egyenesen, a vízkészletekből elvesző (elhasznált) vízmennyiségekkel fordítva arányos. Vizsgáljuk meg ezért az üzemi vízveszteségeket. Hűtővíz-használatkor a használat után a hőszennyezés mesterséges vagy természetes úton, túlnyomóan a víz párolgása folytán távozik. • Az iparban átlagosan t = 10°C felmelegedést és a teljes hőmennyiségnek párolgással való távozását tételezve fel, a max. elpárolgás, a teljes vízmennyiségnek 1,7 %-a. Frissvízhűtés, tehát a hűtővizek befogadókban való visszahűtése esetén, ennek valamivel több, mint a fele értékkel, tehát a teljes vízforgalom kb. 1 %-ával számolhatunk. A hűtővíz-rendszer egyéb veszteségei (szivárgás, szóródás stb.) a teljes vízmennyiségnek mintegy 0,5 %-át teszi ki. Egyéb ipari vízhasználatokban a vízszennyezések eltávolításakor akár a befogadóba bocsátás, akár az újrahasználat miatt végzik is azt, az iszappal és a mosó-, öblítővizekkel jelentős vízmennyiség vész el az üzemben. A tisztítás technológiák, műtárgyak és egyéb berendezések fajtáitól függően az elvesző vízmennyiség, a teljes tisztított vízmennyiségnek 2- 6 %-a, ami a használt vízzel a befogadóban nem kerül be, illetve újrahasználat esetén, mint pótlandó vízmennyiség szerepel. A termelési technológiákban a víz használata közben gyakran jelentkezik elpárolgó, elszóródó, és kihordott vízveszteség, ami átlagosan a teljes vízmennyiség 1-2 %-a. A vízveszteségek iparáganként és technológiánként jelentősen változhatnak. A következő közelítő és átlagos értékekkel lehet számolni a teljes vízigényre vonatkoztatott vízveszteségre: a villamosenergia-ipar hűtővíz-veszteségei 1-2 % egyéb ipar hűtővizeiből a veszteség 2-3 % az ipar egyéb vízhasználataiban a veszteség 3-5 % Az átfolyó, többcélú vízhasználat esetén a használt frissvíznek (Qfá) csupán 1-3 %-a az elvesző víz, a nyitott recirkulációs vízrendszer pótlására (QP) igénybe vett frissvíz mennyiségének azonban 50-70 %-a elvész (50 – 30 %-a lebocsátás). Ez a jelentős különbség figyelmeztet arra, hogy egy üzem frissvíz-igénye esetén lényeges különbséget kell tenni, hogy ebből a frissvízből mennyit igényel átfolyó vízhasználatra (Qfá) és mennyit vízveszteségek pótlására (QP). 9.2.2. Az n szerepe a vízkészletek minőségének alakulásában

Magas n érték esetén az ipari üzem a teljes vízigény 2,5-6,0 %-át igényli frissvízként. Ismeretes azonban, hogy az üzemből kilépő szennyezett használt víz mennyisége: QSz = QF - Σ QV Az üzemből kilépő szennyvíz mennyisége n = 17 értékű visszaforgatás esetén: QSz = 0,06 QT - 0,03 QT = 0,03 QT Átfolyó vízhasználatú üzem szennyvízkibocsátása pedig: QSz = QT - Σ QV = QT - 0,02 QT = 0,98 QT

IPARIVÍZ

179

Tehát 33-szor nagyobb a szennyvízmennyiség, mint recirkulációs vízhasználat esetén. Ha feltételezzük, hogy mindkét esetben a befogadóba bocsátható szennyezési koncentrációra (ck) megtisztítják a szennyvizet, a befogadót érő szennyezőanyag-mennyiség: Átfolyó vízhasználat esetén: 0,98 QT · ck = SzA Visszaforgatás esetén: 0,03 QT · ck = SzR Tehát átfolyó vízhasználat esetén ugyancsak 33-szoros szennyezőanyag-mennyiség kerül a befogadóba, a recirkulációs vízhasználattal szemben. Tehát az n értékének a növelése a befogadók vízminőség-védelmét igen nagy mértékben elősegíti. Ésszerű üzemi vízgazdálkodás bevezetésével, tehát a nemzetgazdaság számára jelentkező eredmény – az említett üzemgazdasági eredményen felül – a Ft-okban nehezen kifejezhető befogadók szennyezésének és a vízkészletek igénybevételének csökkenése. Ezáltal növekszik a térség gazdasági fejlesztésének lehetősége.

IPARIVÍZ

180

Irodalomjegyzék

1. Bonta, L. – Körtvélyes, M.: Gépipar vízhasználatai. Budapest. Vízdok. 1983. 2. Bujtás, T. A Paksi Atom Erőmű sugárvédelmi helyzete. Előadás, Pécs, 2005. 3. Bulla, M. – Kelemen, L.: Ipari vízellátás, csatornázás, ipari vízgazdálkodás és vízkezelés. BME. Budapest. Tankönyvkiadó. 1989. 4. Cantarlella, A. – Lambert, A. – Jott, A. – Rand, R.: A gyáron belüli beavatkozás előnye az ipari szennyvizek kezelésében. Techn. Sci. Munk. 8-9. 1980. 5. Chovanecz, T.: Az ipari víz előkészítése. Budapest. Műszaki Kiadó, 1989. 6.Dékán, J. – Koltai, P. – Vég, L.: Ipari kazántelepek vízkezelése. Budapest. Liber et Librarius Kiadó. p. 440. 1992. 7. Fedák, D. et.: Közlekedési üzemek vízhasználatai. Budapest. Vízdok. 1983. 8. Gábor, B. et.: Vaskohászat vízhasználatai. Budapest,Vízdok. 1983. 9. Gombás, J. et.: Vegyipar vízhasználatai. Budapest, Vízdok. 1983. 10. Gősi, P.: Method and Chart for the Determination of Evaporation Loss of Wet Cooling Towers. Heat Transfer Engineering, vol. 10 no. 4 1989. 11. Gősi, P.: Fejlesztési eredmények és üzemi tapasztalatok a nedves hűtőtornyok területén. Magyar Energetika 1998/3. 12. Hartinger, L.: Taschenbuch der Abwasserbehandlung für die metallverabeitende Industrie. 1.- 2 Band. Carl Hanser Verlag. München. 1976. p. 440-756. 13. Held, H. D.: Kühlwasser. Vulkán Verlag. W. Classen, Essen. 1970. 14. Illés, I. – Kelemen, L. – Öllős, G.: Ipari vízgazdálkodás. Vízdok. Budapest. 1983. 15. Jászai, T.: Műszaki hőtan. Hőközlés. Tankönyvkiadó. 1984. 16. Kelemen, L.: Ipartelepek vízgazdálkodási rendszertervezésének alapjai. Doktori disszertáció. BME. Budapest. 1971. 17. Kelemen, L.: Ipari vízgazdálkodás I. BME. Tankönyvkiadó. Budapest. 1979. 18. Kemény, M. et.: Élelmiszeripar vízhasználatai. Vízdok. Budapest. 1983. 19. Kiss, L.: Villamosenergia-ipar vízhasználatai. Budapest, Vízdok. 1983. 20. Kóbor, L. et.: Könnyűipari üzemek vízhasználatai. Budapest, Vízdok. 1983. 21. Langelier, W. F. – Amer, J.: Water Works Assoc. 28. 1936. 22 Mörbe, K. et.: Korrózióvédelem az épületgépészeti gyakorlatban. 23. Öllős, G.: Vízellátás. AQUA Kiadó. Budapest. 1987. 24. Öllős, G.: Szennyvíztisztító telepek üzeme. I-II Akadémiai Kiadó Budapest. 1994. 25 Öllős, G.: Vízellátás üzemeltetés. Budapest, AQUA Kiadó. 1998. 26. Poppe, M.: Wärme- und Stoffübertragung bei der Verdunstungskühlung im Gegen- und Kreuzstrom. VDI-Forschungsheft 560, 1973.

181

IPARIVÍZ

27. Taborek, et al.: Fouling: the Major Unresolved Problem in Heat Transfer, Chem. Eng. Progress 68 Part I (2) 59-67 (1972) and Part II (7) 69-78. 28. Korróziós inhibitor találmány. LSZ: HU 224 423 B1. MTA Kémiai Kutató Központ Budapest, 2005.08.29. 29. Monitorozható korróziós inhibitor találmány. LSZ: HU 224 468 B1. MTA Kémiai Kutató Központ, Budapest,2005.09.28.

IPARIVÍZ

182

FÜGGELÉK

F-1. ábra. Szénerőmű vízforgalmi diagramja

IPARIVÍZ

183

F-2. ábra. Papírgyár vízforgalmi diagramja.

IPARIVÍZ

184

IPARIVÍZ

185

IPARIVÍZ

186

IPARIVÍZ

187

IPARIVÍZ

188