Környezettechnológia Dr. Kardos Levente adjunktus Budapesti Corvinus Egyetem Talajtan és Vízgazdálkodás Tanszék
IVÓVÍZKEZELÉS - AZ IVÓVÍZZEL SZEMBEN TÁMASZTOTT KÖVETELMÉNYEK Nem tartalmazhat nem megengedhető koncentrációban egészségre káros anyagokat, tartalmaznia kell mindazon anyagokat (ásványi anyagokat, nyomelemeket), amelyekre az emberi szervezetnek szüksége van és amelyeknek a felvétele az ivóvízzel biztosítható. A vízcsőhálózatból kikerülő ivóvíznek esztétikai szempontból is kifogástalannak kell lennie, színtelen, szagtalan, friss és jóízű legyen. A vízszolgáltató feladata, hogy mindenkor megfelelő mennyiségű és minőségű ivóvíz álljon rendelkezésre kellő hálózati nyomáson. Az ivóvíz minősége kezelése során (a vízkivételtől a fogyasztóig) ne okozzon a műveleti egységekben üzemeltetési gondot, és lehetőleg ne keletkezzen a kezelésekor egészségkárosító ill. minőségrontó komponens (pl. ne okozzon korróziót, csapadékképződést, ne képződhessen robbanóképes elegy, az alkalmazott vegyszerekkel ne reagáljanak a víz összetevői kellemetlen ízű, szagú ill. karcinogén, mutagén vegyületek képződését eredményezve) . 2
Az országos szabványok a mérgező anyagokra és az egészségre közvetlenül káros anyagokra nézve általában követik a WHO ajánlásait. Magyarországon az ivóvíz minőségét rendeletet rögzíti. Adott komponens határértékét a kockázatbecslés alapelvei szerint állapítják meg. Toxikus anyagok esetén a toxikológiai adatbázis a napi megengedhető dózisértéket veszi alapul (anyag tömege, µg vagy mg mennyiségben 1 kg testtömegre vonatkoztatva, amely naponta a szervezetbe jutva még semmilyen káros hatást nem fejt ki). Ez az érték sok esetben csak állatkísérletek adatai alapján becsülhető, ezért a napi megengedhető dózist egy 70 kg-os átlagos testtömegű emberre vonatkoztatva, több nagyságrenddel csökkentve ún. biztonsági tényezők figyelembe vételével állapítják meg.
3
Karcinogén, mutagén és teratogén anyagok esetén a megengedhető napi dózis megállapításakor olyan anyagmennyiséget vesznek figyelembe, amely mellett a kóros elváltozás kockázata 10-5 (10 mikrorizikó) nagyságrendű. A megengedhető napi dózisnak, figyelembe véve az egyéb expozíciós utakon a szervezetbe kerülő anyagmennyiségeket is, a vízzel csak ~20 %-a kerülhet a szervezetbe. 2 liter/fő,nap vízfogyasztással számolva ez eredményezi a kérdéses anyag határértékként megjelenő koncentráció adatát az ivóvíz minőségi követelményeket feltüntető adatbázisban.
4
Az egészségügyi hatások értékelésénél átlagos alapadatok felnőtt embernél: 70 kg testtömeg, napi 1,5 kg élelmiszer, 1,4–2 liter víz és 15 kg levegő fogyasztása. Az elfogadható mértékű határértékek fogalma!
kockázat
és
a
technikai
5
VÍZSZERZÉSI MÓDOK ELSŐSORBAN KÜLÖNBÖZŐ TÍPUSÚ KUTAKBÓL
[Forrás: Fővárosi Vízművek tájékoztatója]
Parti szűrésű kutak
6
Amelyek lehet: Aknakút (d = 2- 5 m, mélység max. 12 m)
D ö n g ö lt A g y a g g y ű rű
V b . K ú tk ö p p e n y
V b . v á g ó é lk o s z o rú K a v ic s fe ltö lté s
7
Csápos kút N y o m á sm érő
G y ű jtő c ső T o ló z á r
A lé p ítm é n y V íz m in ta v e v ő s z e llő z ő c s ő
N yo m ó cső
B ú v á r s z iv a tty ú E le k t r o m o to r
F e ls ő c s a p s ík
A ls ó c s a p s ík F en é k b e to n
8
HAGYOMÁNYOS IVÓVÍZ-KEZELÉSI ELJÁRÁSOK Technológiai művelet
Célja
Megvalósítás módja
Levegőztetés
A gáznemű és illékony összetevők eltávolítása, az oldott alkotórészek részleges oxidációja
A víz és levegő intenzív érintkezése
Savmentesítés
Az oldott szén-dioxid eltávolítása
Szűrés (REAKTÍV) vagy vegyszerek adagolása
Derítés
A kisméretű szilárd Derítőszerek adagolása részecskék destabilizálása, csapadékképzés, agglomerálás, nagyméretű pelyhek ún. flokulumok létrehozása
9
HAGYOMÁNYOS IVÓVÍZ-KEZELÉSI ELJÁRÁSOK Technológiai művelet
Célja
Megvalósítás módja
Ülepítés
Szilárd anyagok eltávolítása
Gravitáció
Szűrés
Szilárd-folyadék fázisszétválasztás
A víz szemcsés szűrőkön való átengedése
Oxidáció
Oldott és kolloid anyagok összetételének módosítása Lebontás, csapadékképzés
Oxidálószerek adagolása
Fertőtlenítés
Patogén baktériumok elpusztítása, vírusok inaktiválása
Fertőtlenítő szerek
Szorpció
Íz-, szag- és toxikus hatású szerves anyagok eltávolítása
Adszorpció aktív szénnel (Aktívszenes „szűrés”)
10
VÍZFELHASZNÁLÁSI ADATOK liter nap,
150
Hazai lakosegyenérték:
fő
A háztartások átlagos vízfelhasználása W C ö b líté s
1 12
1
Iv ó v íz , fő z é s , m o s o g a tá s 32
17
L /fő x d
Fü rdé s, mosdás M osás L o c s o lá s
33 Au to m o s á s
Nem ipari tevékenység vízfelhasználása Átlagos értékeket figyelembevéve Kis háztartás Luxus háztartás Szállodák Vendéglők Camping Iskolák Kollégiumok Irodaházak
11
FERTŐTLENÍTÉS
– Az oldott és külön fázist alkotó szerves anyagot oxidálja – Mikroorganizmusokra az enzimek roncsolásával hat
• • • • • • •
Ózonozás UV-besugárzás Katadyn eljárás Klórdioxid alkalmazása Hidrogén-peroxid Klórozás Kombinált módszerek
12
FERTŐTLENÍTÉS, OXIDÁLÁS A fertőtlenítés /oxidáció,a patogén baktériumok elpusztítását (oxidálását) és a vírusok inaktiválását jelenti. / Csírátlanítás (sterilizálás) /. Klórozás általánosan használt fertőtlenítési eljárás. Korlátozza a baktérium utószaporodást, megakadályozza a másodlagos szennyezések kialakulását. A nemkívánatos klórozási melléktermék képződésének elkerülésére: a klórozás előtt a víz szervesanyag tartalmát el kell távolítani. A klórgáz a fertőtlenítendő vízben eloszlatva oldódik, hidrolizál: Cl2 + H2O HOCl + H+ + Cl¯ HOCl OCl¯ + H+ A Cl2, a HOCl és a OCl¯ egymáshoz viszonyított mennyisége a víz pHjától függ. 13
14
A klórozás nátriumhipoklorit (NaOCl, Hypo) oldattal NaOCl Na+ + OCl¯ OCl¯ + H2O HOCl + OH¯ A víz ammóniumiont tartalmaz: NH4+ + HOCl
NH2Cl + H+ + H2O monoklóramin
NH2Cl + HOCl
NHCl2 + H2O diklóramin
NHCl2 + HOCl
NCl3 + H2O triklóramin
15
A klóraminok - amellett, hogy kellemetlen ízt és szagot kölcsönöznek a viznek - a szabad klórnál sokkal gyengébb oxidálószerek. Pl. E.coli baktérium 99%-os elpusztításához 5oC-on szabad klórból 0,04 mg(min dm3)-1, míg monoklóraminból 175 mg(min dm3)-1 mennyiség szükséges. (A hatóanyag mennyiségek ez esetben percenkénti „koncentráció-igényt” jeleznek.)
A töréspontban: 2NH4+ + 3 HOCl N2 + 3H2O + 5H+ + 3 Cl¯
16
TÖRÉSPONT KLÓROZÁSI GÖRBE
17
TÖRÉSPONT KLÓROZÁSI GÖRBE
Fertőtlenítés klór-dioxiddal (ClO2) Reakciói a szerves anyagokkal általában szintén klórozott termékek képződéséhez vezetnek. Az ammóniával és egyéb nitrogéntartalmú vegyülettel nem lép reakcióba. Egészségügyi kockázatot a klorátképződés jelent. A koncentrált klór-dioxid gáz robbanékony, ezért a felhasználás helyszínén kell előállítani. A klór-dioxid - a klórtól eltérően - vízben nem hidrolizál, csupán fizikailag oldódik, vizes oldata pH=2-10 között stabil. Sokféle szerves és szervetlen anyaggal reakcióba lép, így még a komplex kötésben lévő Fe(II)- illetve Mn(II)-ionok oxidációjára is képes. A klór-dioxidot sikeresen alkalmazzák a doh-, föld- és hal-ízek és szagok csökkentésére, hálózati fertőtlenítőszerként. Klór-dioxidos fertőtlenítéskor kevéssé ismert hatású, nem illékony vegyületek keletkeznek, trihalometánok azonban nem. Képződik viszont közvetlenül mérgező szervetlen klorit és klorát is, koncentrációjuk elsősorban a kezelt víz szerves-anyag tartalmától függ. 19
A klór-dioxid előnye a klórral szemben, hogy az ammóniával és egyéb nitrogéntartalmú vegyülettel nem lép reakcióba, baktericid hatása pedig erőteljes. Hátránya, hogy alkalmazása költséges, néhány oxidált terméke (a klorát) egészségügyi kockázatot jelenthet.
A klór-dioxid oxidációs reakcióinak zömében klorittá alakul: ClO2 + e¯ → ClO2¯ ClO2¯ + 4H+ + 4e¯ = Cl¯ + 2H2O 2ClO2 + 2OH¯ = ClO2¯ + ClO3¯ + H2O
Kálium-permanganát (KMnO4) Igen erős oxidálószer. Nemcsak vas- és mangántalanításra, hanem íz- és szaganyagok, valamint egyes trihalometán-képző komponensek eltávolításához is alkalmazható. Az íz- és a szaganyagok kálium-permanganátos eltávolítása után aktív szenes szorpciót kell beiktatni. Csekély hatékonysága miatt nem terjedt el az alkalmazása. Egyéb hátránya?
20
Az ózon vízben rosszul oldódó gáz, háromatomos oxigénmolekula, molekula-szerkezetéből adódóan rendkívül reakcióképes. Mivel már kis mennyiségű oxidálható anyag jelenlétében is nagyon robbanékony, ezért nem tárolható és szállítható, mindig a felhasználás helyén kell előállítani. Leggazdaságosabban a levegő oxigénjéből, elektromos kisülések révén állítható elő. Vizes közegben gyorsan lebomlik. Lebomlása: O3 + H2O O2
+ 2OH¯
O3 + OH¯ O2 +
HO2*
O3 + HO2* 2O2 + OH* OH* + OH*
H2O2
OH* + OH¯ O¯ + H2O 21
ÓZON ALKALMAZÁSA Az ózonizációs folyamatokban a molekuláris ózon és a nagyon aktív hidroxil gyökök (OH*) az uralkodóak. Az ózon megfelelő koncentrációban történő adagolásakor az oxidációs reakciók mellett a fertőtlenítésben is adott körülmények közt szerepet játszhat. A baktériumok és vírusok szerkezetét képes megváltoztatni. Biztonsági klórozásra ózon használatát követően főként azért van szükség, mivel az ózon nem rendelkezik általános baktericid-hatással, és ez különösen szerves anyagokkal erősen terhelt vizeknél - a csőhálózatban gyorsabb utócsírásodáshoz vezethet.
22
A mikroorganizmusok ultraibolya sugarakkal történő inaktiválásakor fotokémiai reakciók zajlanak le. O2 O* O3 O*
+h + O2 + +h + H2O
2O* M O3 O* + O2 2OH*
(oxigén-gyök) (inert komponens) (hidroxil-gyök)
A szerves anyagok oxidációs lebontásakor az energiában gazdag hidroxilgyökök játsszák a reagens szerepét. A mikroorganizmusok sejtfala és a sejt belső része egyidejűleg a sugarak hatása alá kerül. Az UV sugaras fertőtlenítés általában nem igényel hosszú kezelési időt. Az ivóvíz UV sugarakkal végzett fertőtlenítő tisztítására a higanygőz-lámpák alkalmasak, de nagy kezelendő vízmennyiségek az újszerű antimon égők használatát igénylik. Az UV kezeléskor a nyersvíznek lebegőanyagmentesnek kell lennie, mert a szilárd részecskék lerakódnak a csöveken, akadályozzák a sugarak áthaladását, ezáltal csökkentik a fertőtlenítés hatékonyságát. 23
A hidrogén-peroxid is hatásos fertőtlenítőszer. Hazánkban is engedélyezett hidrogén-peroxidot és ezüstöt is tartalmazó fertőtlenítőszerek használata. Az ivóvíz fertőtlenítésének szükségessége nem vonható kétségbe, mivel a vízben lévő patogén mikroorganizmusok fertőző betegségeket terjeszthetnek, hatástalanításuk indokolt. A fertőtlenítés során azonban - a vízben lévő szerves anyagok tökéletlen eltávolítása miatt, valamint az alkalmazott fertőtlenítőszer átalakulása miatt is - nagyon sokféle vegyület képződik. Ivóvíz fertőtlenítési céllal nemcsak kémiai, hanem újabban fizikai módszereket is alkalmaznak A mikroszűrés és ultraszűrés fizikai szűrésen alapul. A víztisztításban elsősorban részecskék (lebegő anyagok), köztük a mikrobák eltávolítására, a zavarosság csökkentésére alkalmazzák ezeket az eljárásokat. Alkalmazásukkor a nyersvizet átvezetik a mikroszűrő membránokon. A szűrő pórusainak átmérője ez esetben nem lehet nagyobb, mint a mikroorganizmus legnagyobb hosszmérete. 24
Az előtisztítatlan nyersvízben lévő lebegőanyagok igen gyorsan eltömítik a membrán pórusait. Ezért a mikroszűrő membránok előtt többrétegű, csökkenő pórusméretű szűrőket is alkalmaznak.
A fertőtlenítés folyamatában keletkező vegyületek egyrészt a vízben lévő szerves anyagoktól, a víz összetételétől, másrészt a fertőtlenítés módjától függően jelennek meg a vizben.
A fertőtlenítési folyamatban képződő káros vegyületek: - trihalometánok (THM) keletkeznek szerves anyagok, pl. huminsavak klórozásakor. A szén-klór illetve a szén-bróm kötésű vegyületek a természetben nem gyakoriak, rákkeltő hatásúk bizonyított.
25
THM VEGYÜLETEK
26
OH
OH
OH OH c a th e c o l h id r o q u in o n e
phenol
OH O O O
O p -b e n z o q u in o n e
o -b e n z o q u in o n e HO
O
H m u c o n ic a c id
H COOH COOH
2 ,5 -d io x o - 3 h e x e n e d io c ic a c id
COOH
H
H
O
COOH
HO -2 C O
2
O
O
O
H H
C H2
H
H H
O 1 -4 - d io x o -2 b u te n e
OH C C H H s u c c2 i n i c a2c i d
OH
OH
H
OH
H m a le ic a c id
O
OH
C
OH
C O
HO
a c ry lic a c id
O 3 -h y d ro x y p ro p a n o ic a c id
O H
4 -o x o -2 b u te n o ic a c id H O
H C
O
O
H
C
g ly o x a l
O
H
OH C
C
O O g ly o x y lic a c id
HO
OH C
O fo r m ic a c id
C
OH
O O 3 -o x o -p ro p a n o ic a c id
O OH
H O
2
+
H 2O
O
m a lo n ic a c id
OH CO
2
H
H O
H
C C H3 + C O H2 p ro p a n o ic a c id
H O
HO O
C H2
27 CH
3
Az ivóvíz mutagén vegyületeinek jelenlétét, mutagenitását a vízben kimutatható MX vegyületek mennyiségéhez kötik. Megállapították, hogy az ivóvízben észlelt mutagén aktivitás egyharmada az MX - vegyületekből származik, és határozott összefüggést mutat a vizek TOX (összes szerves halogénvegyület) koncentrációjával. A mutagenitás-vizsgálatok szerint a nyersvíz minták legfeljebb csak kis mértékben bizonyulnak mutagénnek. A kezelt víz mutagenitása nagyobb és nagysága függ a nyersvízben lévő szerves anyagoktól és az alkalmazott fertőtlenítőszer minőségétől és mennyiségétől, valamint a kezelési eljárástól (a fertőtlenítőszer adagolásának helye a technológiai folyamatban) is.
28
MUTAGENITÁST OKOZÓ VEGYÜLETEK
1.
MX !
2.
EMX
1: (Z)-2-kloro-3-diklórmetil-4-oxobuténsav 2: (E)-2-kloro-3-diklórmetil-4-buténsav
29
Oxidálási-fertőtlenítési eljárások és sorrendjük
MX
THM
Cl2/NH2Cl
közepes
közepes
Cl2/NH2Cl/Cl2
nagy
nagy
NH2Cl
csekély
csekély
O3
csekély
nincs adat
O3/NH2Cl
kicsi
csekély
O3 /Cl2
nagy
nagy
NH2Cl/O3
kicsi
csekély
O3/H2O2/ NH2Cl
csekély
kicsi
O3/H2O2/Cl2
csekély
nagy
NH2Cl/O3/H2O2
kicsi
csekély
Az MX, THM vegyületek képződésének mértéke a különböző oxidációs- és fertőtlenítési eljárások során 30
KÜLÖNBÖZŐ FERTŐTLENÍTŐ ( OXIDÁLÓ ) ANYAGOK HATÁSÁNAK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Mértéke
Hatás Baktériumok elpusztítása
Vírusok inaktiválása
Spórák elpusztítása
Amőbák elpusztítása
Színeltávolítás
Íz- és szageltávolítás
Klór
Klórdioxid
Ózon
31
Szervesanyag lebontás
Ammónium-eltávolítás
Vas- és mangán vegyületek eltávolítása ( kicsapása)
Hatástartam
Haloform építés
Klór Klórdioxid
Ózon
32
Hagyományos felszíni víz kezelési folyamat: az O3 és a H2O2 lehetséges adagolási helyei
Cl2, koaguláns
Folyóvíz
Koaguláció Flokkuláció Ülepítés
Cl2 Gyorsszűrés
GAC Tiszta víz
O3,koaguláns
Folyóvíz
Ozonizálás
H2O2 Koaguláció Flokkuláció Ülepítés
Gyorsszűrés
Cl2 Ozonizálás
GAC Tiszta víz
Az O3/H2O2 kombinált (PEROXON) eljárás, amely hidroxil gyököket eredményez, kiküszöböli az MX vegyületek képződését. PEROXON eljárással a hálózatban azonban nem lehet biztosítani a baktericid hatást (az oxidálószerek lebomlanak, nincs tartós hatásuk). Ilyenkor is szükség van a víz biztonsági utóklórozására! 33
ADSZORPCIÓ SZEREPE A VÍZKEZELÉSBEN Bizonyos anyagokat, un. adszorbenseket, ha vízbe vagy gázfázisba helyeznek, sajátos tulajdonságaik révén felületükön különböző vegyületeket képesek megkötni (koncentrálni). Ilyen sajátsággal rendelkező anyagok lehetnek szervetlenek (pl. szilikátok azaz agyagásványok, zeolitok, vagy alumínium- és egyéb aktivált oxidok stb.) vagy szervesek illetve szerves eredetűek (pl. műgyanták, aktív szén). Az ilyen szilárd szorbensek közt sok természetes eredetű, de sok mesterségesen előállított változatuk is ismert.
34
A sokféle adszorbens egyidejűleg többféle anyag megkötésére is képes, egyes adszorbens típusok viszont csak specifikus anyagcsoporttal lépnek kölcsönhatásba. Lényeges az adszorbensek tulajdonságait toxikológiai szempontból is vizsgálni, nehogy alkalmazásukkor a felületről nemkívánatos anyagok kerüljenek a kezelt vízbe (pl. oldott szerves anyagok a műgyanták ivóvízcélú használatakor). Valamely adszorbens adszorpciós kapacitása, vagyis az, hogy egységnyi mennyisége az adott anyagból mennyit képes megkötni, az adszorbens felületi tulajdonságaitól, az eltávolítandó anyag(ok) minőségétől és koncentrációjától, az anyagátvitel hidrodinamikai sajátosságaitól is függ.
35
ADSZORPCIÓ AKTÍV SZÉNNEL Az ivóvízkezelésben az aktív szén a legelterjedtebben alkalmazott adszorbens. Az aktív szén sokféle széntartalmú alapanyagból előállítható, ilyen pl. a faszén, kőszén, barnaszén, kókuszdió stb. Az aktív szenet kétféle formában alkalmazzák. Porként (PAC: powdered activated carbon, az angol megnevezés rövidítése terjedt el a szakmai szóhasználatban) belekeverik a folyadékba, míg szemcseként (GAC: granulated activated carbon) réteget képeznek belőle, amelyen átvezetik a tisztítandó folyadékot. Ez utóbbi a fixágyas, un. oszlopos tisztítási megoldás. A por az aktív szén finomra őrölt változata, amely akkor alkalmazható gazdaságosan, ha adagolása a technológiai folyamatban csupán időszakosan szükséges. A porszemcsék átmérője kb. 16-60 m, az adszorpciós folyamat szempontjából a fajlagos felület nagysága miatt a szénpor szemcsemérete ez esetben döntő tényező. (Fajlagos felület: az egységnyi tömegű, pl. egy grammnyi anyag felülete. Belátható, hogy a szorpciós folyamat egyensúlyának beállásához az időigényt csökkentő felület-növelés a részecskeátmérő csökkenésével hatványozott mértékű.) 36
A PAC eljárás előnye az, hogy külön tisztítóberendezésre nincs szükség, az adagolandó szénport csupán előzetesen az erre a célra szolgáló berendezésben kevés vízben el kell keverni (szuszpendáltatni). Hátránya, hogy a szénport a tisztított vízből, ami a kis szemcseméret miatt okozhat gondot, teljes mértékben el kell távolítani. Eltérő esetben a vízben maradó szilárd szénpor szemcsékkel baktériumok, vírusok és mikroszennyezők is a vízben maradnak. A PAC eljárást tehát célszerűen az előtisztításhoz, illetve a derítés előtt lehet alkalmazni. A derítés előtt adagolt szénpor, amely a fázisszétválasztás után a vegyszer tartalmú, derítéskor keletkező iszapba kerül, nem veszti el teljesen adszorpciós kapacitását. A szemcsék megfelelő mechanikai hatással kiszabadíthatók az iszapból és felhasználhatók további szerves anyag eltávolításra is. Ezen alapul az un. Claricarb-eljárás, amelynek lényege, hogy a szenet tartalmazó iszapot részlegesen recirkuláltatják (visszaforgatják), ennek eredményeként aktív szén felhasználáscsökkentés érhető el vízminőség romlás nélkül. (A szénpor általában 4-5ször forgatható vissza. 100 ezer köbméter víz tisztításakor kb. 20 t szénmegtakarítást jelent a recirkuláltatás.) 37
GAC. A szemcsés aktív szén fajlagos felülete is igen nagy, 600 - 1500 m2/g közötti. A nagy felületet nemcsak az adszorbens külső felületével, hanem elsősorban a belső felülettel, a “csőszerűen” repedezett bonyolult geometriájú pórusokkal érik el. A pórusok mérete eltérő. Méret szerinti eloszlásuk különösen fontos tulajdonsága a szorbensnek, hiszen a pórusok általában arra képesek, hogy a hozzájuk hasonló méretű, a fizikailag is odajutni tudó molekulákat adszorbeálják. A szénszemcsében lévő legnagyobb un. makropórusok a kolloid nagyságrendű anyagok, a középméretű pórusok elsősorban a nagyméretű molekulák, míg a mikropórusok a kisebb oldott anyagok megkötésére alkalmasak. Ezen az elven alapul a hidrofób-hidrofil tulajdonságok szerepe mellett a zeolitok, azaz molekulaszitáknak nevezett szilikátásványok szelektív szorpciós sajátsága is.
38
Ha kicsi a szorpció során az érintkezés időtartama, akkor elsősorban a megkötendő anyagok folyadék fázisbeli szállítódása (koncentrációgradiensek) és a filmdiffúzió (a szennyező anyagok szénfelülethez tapadó vízrétegen belüli mozgása) játsszák a döntőbb szerepet. A szemcsén belüli diffúzió ilyenkor minimális. Az adszorpció sebessége gyors, mert az adszorbens szilárd felülete nagy és a vízfilmen keresztül közvetlenül elérhető. A vízben lévő sokféle kolloid anyag azonban, ha nagy mennyiségben van jelen, épp a szénpor adszorpciós felületének lefedése miatt a folyamatot hátrányosan befolyásolja. Ezért a módszer közvetlenül, előtisztítás nélkül, csak kisebb zavarosságú vizek kezelésére alkalmas. A kevertetett rendszerben, amit szokásos statikus módszernek is nevezni, az idő függvényében kialakul egy egyensúlyi helyzetet közelítő állapot (PAC eljárás), a szilárd fázis és oldatfázis közti komponens-megoszlás. A dinamikus, azaz oszlopos művelet során ez az állapot a folyadékáramlás következtében állandóan megújuló módon érvényesül.
39
Folyamatos anyagátadás: az adszorpció dinamikus-oszlopos műveleti megoldása. A víz komponens tartalmából ekkor a szorbens megköt valamennyit a vízzel való érintkezés során, ennek mértéke a hajtóerőktől függ, a víznek tovább áramlása közben azonban mindig kisebb mennyiségű komponenst tartalmazó részlete fog az oszlopba töltött anyag egyre szorpcióképesebb, vagyis kevésbé telített részével találkozni, azaz megújuló egyensúlyi lépések sorozatában alakul ki az oszlopról távozó víz komponenstartalma. (Ld. a folyamat értelmezését az adszorpció speciális eseteként az ioncsere folyamatot bemutató ábrán)
40
AZ IVÓVÍZ ELŐÁLLÍTÁS, A VÍZTISZTÍTÁS ÁLTALÁNOS FOLYAMATÁBRÁJA fertőtlenítés víztározó
Felszíni víz Felszín alatti víz
durvaszűrés rács
oxigén mangán vas metán mentesítés
szűrés adszorpció
levegőztetés
baktérium derítés lebegőanyag mentesítés kolloid részecske eltávolítása ózonozás mentesítés szűrőrétegek: UV Fe-, Al-, homok klórozás polielektrolit dolomit adagolás ill. grafit oldott szennyezők íz és szaganyagok kicsapása eltávolítása aktív szénen
Másodlagos
másodlagos szennyezés megelőzés: szennyezés megelőzés fertőtlenítés
fertőtlenítés
FOGYASZTÓ
41
A VÍZTISZTÍTÁS TECHNOLÓGIAI MŰVELETEI Levegőztetés Az eljárás lényege, hogy a vízbe szétoszlatott levegőt juttatnak, ennek hatására csapadékok (pl. oldhatatlan Fe-, Mn-vegyületek) keletkeznek, amelyeket szűréssel távolítanak el. Másik változata a levegőztetésnek a nemkívánatos oldott gázok kiűzése, pl. metáneltávolítás, kénhidrogén illetve szénsavmentesítés, vagy ammóniaeltávolítás (un. stripping eljárás). A berendezés lehet egyszerű permetező- vagy szórótorony, amelyben a lefelé haladó vízzel szemben levegőt fúvatnak be, vagy légbefúvás a vízfázisba (finom gázbuborékok eloszlatása a folyadékban), ill. Kaszkáddal ellátott vagy kevertetett medence. Az eljárás lényege a víz és gázfázis minél intenzívebb érintkeztetése.
42
A VIZEK OLDOTT- ÉS LEBEGŐANYAG TARTALMÁNAK ELTÁVOLÍTÁSA
Csapadék formájában elválasztható anyagok eltávolítása A vastartalmú kőzetek és talajok a vasat oxidok, karbonátok és szulfidok formájában tartalmazzák. A víz ezeket a formákat feloldhatja, így zavaró mennyiségű vas kerülhet a vízbe. Az összes vastartalom ismerete nem elégséges, a vas különböző kötési formáit is ismerni kell, hisz a megválasztandó tisztítási módszer hatékonysága ettől függ. A felszín alatti vizekben az uralkodó vasvegyület a vas-hidrogénkarbonát (vasbikarbonát). Ez csak bizonyos mennyiségű CO2 jelenléte és O2 hiánya esetén stabil.
43
Ha a vízben O2 vagy más, ezt a vasformát oxidáló vegyület jelentik meg, akkor a vas hidrolíziskor rosszul oldódó kétvegyértékű vashidroxiddá alakul. Ez pedig tovább oxidálódik háromvegyértékű, gyakorlatilag oldhatatlan vashidroxiddá:
Fe2+ + 2HCO3¯ + 2H2O = Fe(OH)2 + 2H2CO3 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
44
VAS IONOK MEGJELENÉSE A VÍZKÖZEGBEN
45
Vas- és mangánvegyület formák a pH és a redoxipotenciál függvényében
46
Oxidáció a levegő oxigénjével A vas eltávolítása az előbbi reakciókon alapulva a gyakorlatban úgy valósul meg, hogy a vasionokat a vízbe adagolt levegő oxigénjével oxidálják. Ezt követően a keletkezett csapadékot homok töltetű szűrővel távolítják el. Az első művelet tehát kémiai, a második fizikai. Egyes esetekben elegendő csak a levegő oxigénje az oxidáláshoz (bikarbonát kötésű vasvegyületek jelenlétében), máskor viszont vegyszeradagolás ill. intenzív oxidáció szükséges. A vizek vastalanitásához, ha a vas szerves- illetve szulfid-kötésű a vízben, és a levegő oxigénje nem használható fel, a felhasznált vegyszerek ilyenkor oxidálószerek, lúgos vegyszerek (azaz derítőszerek ) lehetnek. A mangán általában a vassal együtt fordul elő, a vashoz hasonló típusú vegyületekben. Eltávolítása is leggyakrabban a vassal együtt történik. A vas- és mangántalanításnak nagy hagyománya van mélységi vizeink kezelésében. A vas- és mangántartalom valamint a kezelt vízmennyiség függvényében többféle eljárás ismeretes.
47
Az eljárások közös vonása, hogy az oldott ionokból csapadékot képeznek és azt elválasztják a víztől, azaz mind derítő eljárások. Az itt alkalmazott eltávolító eljárás három műveletből áll: oxidáció koaguláció, flokkuláció, adszorpció, fázisszétválasztás. A mangán eltávolítására ismert eljárások pl.: a levegőztetés és homok gyorsszűrés mellett a biológiai szűrés, ioncsere (mangán-permutit eljárás). Mangán esetében is az eljárás hatékonyságát a víz pH-ja befolyásolja. A nagy pH a kedvező (pH>9). Továbbá a fáziselválasztáskor a szűrőrétegen képződő barnakő-réteg javíthatja a mangántalanítás hatásfokát. Ez a réteg képződhet természetes úton vagy kálium-permanganát adagolás hatására is. Ekkor a reakció eredményeképp jön létre a mangándioxid, azaz barnakő.
2 Mn2+ + 3MnO4¯ + 2 H2O 5 MnO2 + 4H+ 48
A technológiai műveletek ilyen előkészített szűrőtípusát, amikor a folyamat során vagy külön vegyi kezelés hatására alakul ki az aktív réteg a szűrésre alkalmazott szemcsék felületén un. “bedolgozott” szűrőnek nevezik a gyakorlatban. Az oxidáció lényeges lépése ezeknek a műveleteknek. Az oxidáció során a vízben oldott ionokat csapadékká alakítják azért, hogy azok fáziselválasztással eltávolíthatóak legyenek. A szerves kötésű vas- vagy mangán-, illetve bármilyen arzénvegyület esetén – ha ezeket el kívánjuk távolítani) a levegő oxigénjénél erősebb oxidálószerekre van szükség. Ekkor oxidálószerként klór, klór-dioxid, ózon, kálium-permanganát és ezek különböző kombinációja használható fel. Az említett oxidálószerek nemcsak vas-, mangán-, vagy arzén vegyületek oxidálására alkalmasak, hanem más szennyező anyagokéra is (pl. ammónia, aminosavak, proteinek, széntartalmú anyagok, nitritek). Ezek mellett az oxidálószerek nemcsak oxidáló, hanem fertőtlenítő hatásúak is (ld. a fertőtlenítési folyamatok ismertetése). 49
A hagyományos eljárások mellett egyre gyakrabban alkalmazzák az un. Fermassic rendszerű vastalanító eljárást. Lényege: a vastartalmú vizet közvetlenül a szűrőbe vezetik az oxidálásához szükséges levegővel együtt. Itt két elkülöníthető lépcsőben, de egy műtárgyon belül, történik az oxidáció illetve a vastalanítási folyamat. Alkalmaznak vastalanításra a természetben zajló folyamatokat közvetlenebbül felhasználó, un. Vyredox vas- és mangántalanító eljárást is. Ezen eljárás alapján a termelő kutak közé nyelő kutakat telepítenek. Ezek a telepített kutak arra szolgálnak, hogy itt juttatják be nyomás alatt az oxigéndús vizet a termelő kút körüli természetes szemcsés szűrőrétegbe, ezáltal létrejön egy gyűrű alakú oxidációs zóna, amelyen a mozgó víz ha áthalad, vas- és mangántartalma oxidálódik és kiszűrődik, a csapadék a réteg hézagrendszerében marad. Előnyös az, hogy a ökológiai folyamatokat nem zavarja meg, hiszen vegyszermentes technológia, a víz minőségét az egyéb összetevőket tekintve szintén nem befolyásolja, ezen felül a mesterséges eljárásokban mindig keletkező hulladék kezelésével, elhelyezésével (csapadék, szilárd anyagban dús iszap) ez esetben nem kell foglalkozni. (Csupán a víztermelés mennyiségi követelményei lehetnek azok, amik ennek az eljárásnak felhasználhatósági körét szűkítik.) 50
Az arzén a mélységi vizekben arzenitek, arzenátok (azaz három- és ötértékű arzén vegyületei) formájában található. Az arzénmentesítésre az alföldi rétegvizek jelentős részének határértéket (10 μg/dm3 As) meghaladó arzéntartalma miatt van szükség. Ez esetben is - a háromértékű arzénvegyületek jelenléte miatt - oxidálószerrel, ezt követő koagulációs-flokkulációs lépésekkel és fázisszétválasztással történhet az arzéntartalom eltávolítása. Oldott állapotban jelen levő huminanyagok eltávolítása a vízből szintén megoldható vegyszeradagolással, a vas-, mangán-, vagy arzén-mentesítő eljárásokat alkalmazva, azaz az oxidatív derítő eljárás azonos az előbb felsorolt ionokat eltávolító eljárásokkal. Huminanyagokat megkötnek emellett aktívszenet alkalmazó szorpciós módszerrel is az előbbiektől eltérő, külön műveleti lépésben (adszorpciós eljárások). Mind a vas- és mangántalanítás, mind az arzénmentesítés sok esetben tehát derítéssel oldható meg. Derítéskor a vegyszerek hatására a szennyező anyagok makropelyhekbe tömörülnek, így a fáziselválasztás lehetővé válik.
51
A Csepeli Vízkezelő Mű zagyvíz-kezelési folyamata
52
Csepeli Ivóvíz kezelőmű folyamatábrája
Szűrő mosás mosóvíz kezelés iszap
54
A derítés : a kolloid részecskék destabilizációja (koaguláció), a pehelykeletkezés és növelés, valamint a fázisszétválasztás folyamataiból tevődik össze, vagyis vegyszeradagolásból és fáziselválasztási lépésből áll. (A derítő, mint önálló berendezés után további fázisszétválasztásra is szükség lehet).
55
Derítés Derítőszerek hatására a nyersvízben lévő szilárd részecskék destabilizálódnak, majd agglomeráció révén nagyméretű pelyheket un. flokkulumokat hoznak létre, amelyek a szilárd - folyadék fázisok szétválasztásával távolíthatók el a vízből. A vízben jelen levő anyagok eltávolításának hatékonyságát a vegyszerek minősége és mennyisége, a kezelés pH-ja, az esetleges segédanyagok adagolása, és a fáziselválasztás módja, viszonyai szabják meg. Derítés: célja minden esetben a vízben lebegő, 0,1 mm-nél kisebb átmérőjű szilárd, szervetlen-, szerves kvázi-kolloid részecskék, illetve egyben az általuk szorbeált mikroszennyező anyagok eltávolítása. Derítéskor a vegyszeradagolás révén a szennyező anyagok makropelyhekbe tömörülve teszik lehetővé a fázisszétválasztást. Az eredetileg vízben jelen levő, fizikai módszerekkel nem elkülöníthető komponenst a derítés során el tudjuk választani a vízből. A kolloid részecskék alapvető jellemzője a stabilitás, a pelyhesedéssel szembeni ellenállás. A termodinamikailag viszonylag stabil (reverzibilis) kolloidok hónapok elteltével is csak kis mértékben pelyhesednek. 56
A lassan pelyhesedő kolloidrendszer pelyhesedő rendszerré alakításának folyamatát kolloid-destabilizálásnak nevezzük. Ezt a derítőszerekkel elérhető: • a diffúz kettős réteg vastagságának csökkentése, • a kolloid részecskék kémiai csapadékba való beépülése, • az adszorpció és a részecskék között kialakuló hídkötés révén. A kolloidok zeta-potenciáljának csökkentésére a kationok közül a többértékű fémionok alkalmazása előnyös. (A Schulze – Hardy szabály értelmében az ionok koaguláltató képessége töltésük növekedésével hatványozottan nő). A folyamat lényege az, hogy kis vegyszer mennyiséggel gazdaságosan távolítsuk el a komponenst, miközben az adagolt derítőszerből a lehető legkevesebb maradjon a tisztított vízben (a “tisztítószer” ne váljon szennyező komponenssé).
57
A KOLLOID RÉSZECSKÉK STABILITÁSA ZÉTA POTENCIÁL
58
KOLLOID RÉSZEK TÖLTÉSE, EGYMÁSRA HATÁSA
59
A KOLLOID RÉSZEK ELEKTROMOS KETTŐS RÉTEGÉNEK ALAKULÁSA KATIONOK JELENLÉTÉBEN
60
A kolloid-destabilizálás gazdaságosan rendszerint csak a háromértékű fémsókkal biztosítható. Ezek a vegyületek hajlamosak a hidrolízisre, ezért a rendszerben a kolloid fázis megbontásával nagy fajlagos felületű csapadékot képeznek, ami képes megkötni a szennyező komponenseket is, és ezáltal azokkal együtt a derítőszer maga is könnyen elválasztható a víztől. A felszíni vizek tisztításakor a töltés semlegesítésére elsősorban Al3+ és Fe3+ vegyületeket használnak. A háromértékű fémsók alkalmazásának előnye hidrolizáló sajátságaikban is rejlik. E fémsókból vízbe adagolásukat követően pozitív töltésű közbenső termékek (polihidroxi vegyületek) képződnek. Ezek csökkentik a kolloid részecske határrétegének zeta-potenciálját. Az alumíniumnak számos hidroxo-komplexe van, amelyek képződése bonyolult, termodinamikailag instabilak. Ilyenek: Al2(OH)24+ ; Al6(OH)153+ ; Al7(OH)174+ ; Al13(OH)345+ ; Al8(OH)222+ ; Al8(OH)204+ A hidrolízis további szakaszában az átmeneti vegyületek fokozatosan elvesztik töltésüket és a kolloidokat szorbeálva rosszul oldódó hidroxid pelyheket alkotnak, amelyek makroszkópikus csapadék formájában kiválnak a vízből 61
A hidrolízist a víz változó keménysége teszi teljessé a következő bruttó folyamat formájában: Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 3CaSO4 + 2 Al(OH)3 + 6CO2 A felszíni vizek lebegőanyag-tartalmának eltávolítására a gyakorlatban hidrolizáló fémsót és vízoldható polimert együttesen alkalmazó derítőeljárások is elterjedtek. Ez esetben flokkulációs folyamat játszódik le. A flokkuláció: pehelyképződés a destabilizált (koagulált) részecskék összekapcsolódása nagyobb halmazokká, a diszperzió részecskéi közötti taszítóerők megszüntetését követően létrejövő részecske aggregálódás. Ismeretes, hogy vannak olyan lineáris polimerek (hosszú láncmolekulák), amelyek vizes oldataikban töltéssel rendelkező csoportokkal rendelkeznek. Ha egy ilyen óriásmolekula több kolloid-részecskéhez is kapcsolódik elektrosztatikusan - töltés semlegesítéssel - összefüggő részecskerendszer (flokkulum) jön létre, amely mérete és tömege folytán gravitációs erő hatására ülepedni képes. A kolloid rendszer részecskéi között igy molekuláris híd létesül, flokkulum (valódi pehely) keletkezik. Polimer flokkulánsoknak (vagy polieletrolitoknak) általában két előnyös hatást tulajdonítanak: nagymértékben csökkentik a lebegő anyag koncentrációját és növelik a pelyhek ülepedési 62 sebességét.
Hidrolizáló fémsóként alumínium-szulfát, polimerként anionos polielektrolit (pl. részben hidrolizált poliakrilamid) használata gyakori. Ez esetben a kolloid felületi töltését az adagolt alumíniumsó nemcsak semlegesíti, hanem meg is változtatja. A koagulálószerek alkalmazásakor általában hátrányt jelent az, hogy a képződő pelyhek kis fajsúlyúak, igy nehezebben ülepíthetők. Ezért a nagyobb, tömörebb, nehezebb pelyhek előállításához alkalmazzák a segéd-deritőszereket. Ezek, mint súlyzóanyagok növelik a pelyhek ülepedési sebességét, és azáltal, hogy felületükön megkötik, illetve rácsukba befogadják (vagy belső pórusaikba) a vízben lebegő pelyheket és önálló kolloidokat, a szennyezőanyag eltávolítást javítják. Segéd-derítőszerek használatakor ily módon a koagulálószerek adagja csökkenthető, illetve a derítés hatékonysága fokozható. A koagulálás, flokkulálás folyamatai legtöbb esetben jelentősen hőmérséklet és pH függőek. A vízben lévő kolloidok töltése, egyes derítővegyszerek ionformája egyaránt pH függő. Pl. az Al3+ vegyületek hidrolíziséhez az optimális pH tartomány pl. 6 - 6,5 pH.
63
ALUMÍNIUM-VEGYÜLETFORMÁK A pH FÜGGVÉNYÉBEN
64
VASVEGYÜLET FORMÁK A pH FÜGGVÉNYÉBEN
65
KOAGULÁCIÓ-FLOKKULÁCIÓ A VÍZ (ÉS AZ ISZAP) KEZELÉSEKOR
66
DERÍTÉSI VIZSGÁLATOK
67
Vezetékben juttatjuk el a kémiai reagenst a szennyezett anyagáramhoz keveréssel, illetve keverés nélkül. Ha a szennyező komponens el van oszlatva a rendszerben és bejuttatják a kémiai reagenst, de keverés nélkül, nem fognak egymással elkeveredni és nem játszódik le a kémiai reakció. Intenzív keverés esetén nagy valószínűséggel a reakciópartnerek találkoznak, a reakció végbemegy. A keverés intenzitása meghatározó jelentőségű. Ha hígabb, kisebb koncentrációjú reagens-oldatot vezetnek be, ez kedvezőbb, mintha töményebbet, mert akkor homogénebben oszlik el a rendszerben. A vízkezelésnél, a gyakorlatban adagolt kémiai reagensek hamar reagálnak valami mással, pl.: ha háromértékű fémiont adagolnak a lebegő részecskék összekapcsolódása céljából. Ekkor a lebegő részecskék a negatív töltésű felületük miatt nem kapcsolódnak össze. A szennyező részecskék nem ülepednek ki, kolloid méretűek. A jelenség megszüntetésére a koagulációs – flokkulációs módszert alkalmazzák.
68
Az adagolt Al3+ ionok képesek áttölteni a részecskék negatív felületi töltését, közelíteni a zérus felé, ekkor a felületi töltés semlegesítődik. Ütközéskor a részecskék már képesek összekapcsolódni. De a víz jelenlétében az Al3+ ionok hidrolizálnak (10 másodpercen belül lejátszódik): Al3+ + H2O → Al(OH)3, de Al3+ a vízben lévő foszfátionokkal is reakcióba léphet. Az ionok között versengés folyik. Ha nem keverik a rendszert elég intenzíven, akkor nem történik meg a reagens lebegő részecskékkel történő találkozása.
69
A vegyszeradagolást követően kialakuló pelyhek igen érzékenyek a hidraulikai viszonyokra. A pehelyhez a vízben lévő sokféle szennyezőanyag is hozzátapad, és részévé válik, vagyis a felépítése meglehetősen összetett. A pehely bizonyos mértékig növekedni képes, utána egyes részei, különösképpen, ha az áramlástani viszonyok kedvezőtlenek, leválhatnak a már kialakult pehelyről. Keverés során a pehely átmérője, fajsúlya, sűrűsége, az alkotó anyagok egymáshoz viszonyított aránya nem tekinthető állandónak. Lényeges szerepet játszanak azért a derítőszerek alkalmazásakor
a
mechanikai körülmények is. A vegyszerek adagolásakor a vegyszert és a tisztítandó vizet igen gyorsan össze kell keverni. Ez egyrészt a vegyszer homogén eloszlatását biztosítja, másrészt azt, hogy a vegyszerek még aktív, reakcióképes állapotukban (pl. a polihidroxidok) reagáljanak a lebegőanyagrészecskékkel. A gyors vegyszerbekeverést követően a primer aggregátumok további ütköztetését, a pehelyméret növelését lassú keveréssel kell elősegíteni.
70
A keverési sebességek (a folyadékban kialakuló un. sebesség gradiens) optimális megválasztása mellett az alkalmazott keverésidőt is optimálni kell. (A keverésidő növelése ugyanis az aggregátum-képződés mellett az aggregátumok aprítását is eredményezheti.) A csapadékképzési és a kolloid destabilizációs folyamatok gyorsak, ezért intenzív vegyszerbekeverésre van szükség, míg a pehelynövekedés lassú folyamat, ezt a lassú keverés segítheti elő. A pozitív töltésű részecskefelületekhez kötődnek az anionos polimer funkciós csoportjai. Az ilyen eljárások nagy hatékonyságúak. A vegyszereket a gyors és homogén eloszlatás biztosítása céljából oldat formájában adagolják a derítendő vízhez. Az alkalmazott vegyszeradag a vízminőségtől függően változik, általában 5-150 mg Al2(SO4)3/dm3 víz, illetve 0,1-0,5 mg polimer/dm3 víz nagyságrendű.
71
Szervetlen polimerek A polialuminium-klorid (továbbiakban pAl-klorid), speciális bázisos aluminium-klorid, amely az ipar számos területén nyert már alkalmazást, igy a papíriparban, bőriparban, kerámiaiparban, speciális katalizátorok előállítása terén, és nem utolsó sorban különböző ivó- és szennyvíztisztítási problémák megoldásában. Szerepük a derítésben a kolloidok destabilizálódása során az, hogy a hidrolizáló fémsót és egyidejűleg a nagy molekulatömegű szerves polimereket is helyettesítik. Nem minden polialuminium-klorid egyforma, a megjelölés nem egy adott termékre, hanem egy termékcsoportra vonatkozik. Különböző gyártási technológiák alkalmazásával az igényeknek megfelelő változatát állítják elő. A pAl-klorid az Aln(OH)mCl3n-m általános képlettel jellemezhető. Általában alumínium és sósav felhasználásával készül. Az alumínium-tartalma 5-13 % közötti, koagulálószerként akkor használható, ha bázikussága 35 %. A polialuminium-klorid (más néven aluminium-hidroxid-klorid) kevésbé savas természetű, mint az alumínium-szulfát, ez az adagolásakor kevésbé jelent korrózióveszélyt. Hidrolizisekor nem amorf alumínium-hidroxid keletkezik, hanem nehezen oldható un. aluminium-oxihidrát. 72
Alumínium tartalmú derítőszerek használatakor felmerülő egészségügyi problémák Derítéskor az adagolt vegyszerek nagy része a kiülepedő szilárd fázisba kerül, de kis részük mindig marad a vízben is. A vegyszermaradvány-tartalom a vízkezelés sikerességének függvénye. A vízművek által biztosított háztartási ivóvízben az alumíniumtartalom nem haladhatja meg a 0,2 mg/dm3 Al-ot, (de kívánatos az ivóvízben a 0,1 mg/dm3 , illetve 0,05 mg/dm3). Az emberi szervezet alumíniumot vehet fel táplálékból, ivóvízből. Egészséges szervezetből az alumínium a vizelettel kiválasztódik és eltávozik. Elégtelen veseműködésben szenvedők számára azonban idegméreg. Halálos mérgezést akkor okoz, ha a megnövekedett alumínium tartalom a szokásos dózis 3-10szerese (0,5 mg/testsúly kg-tól 1,5-5,0 mg/testsúly kg-ig). A különböző alumínium tartalmú derítőszereket egészségügyi szempontból összehasonlítva megállapítható, hogy a polialumínium vegyületek un. félhalálos dózisaik szerint kevésbé ártalmasak, mint az alumínium-szulfát, LD50 (g/testtömeg kg) Al2(SO4)3 = 0,77, míg az LD50 (g/testtömeg kg) pAl-klorid = 12,79 73
DERÍTŐSZER MEGVÁLASZTÁSÁNAK SZEMPONTJAI
74
Alumínium-szulfát alkalmazásakor a tisztított víz maradék alumínium tartalma átlagosan nagyobb, mint a pAl-klorid esetében. Azonos alumínium-hatóanyag tartalmú adagolásukat összehasonlítva pl.az adódik:
Alumíniumszulfát
pAl-klorid
adagolás Al3+ (mg/dm3)
3,13
2,80
kezelt víz maradék alumínium tartalma (mg/dm3)
0,45
0,02
75
AZ OLDOTT ÁLLAPOTÚ ALUMÍNIUM- ÉS VASVEGYÜLETEK REAKCIÓI Al3+ + PO43¯
AlPO4
Fe3+ + PO43¯
FePO4
[Al(H2O)6]3+ + H2O
[Al(H2O)5OH]2+ + H3O+
[Al(H2O)5OH] 2+ + H2O
[Al(H2O)4(OH)2]+ + H3O+
[Al(H2O)4OH2]+ + H2O
Al(OH)3∙3H2O + H3O+
[Fe(H2O)6]3+ + H2O
[Fe(H2O)5OH]2+ + H3O+
[Fe(H2O)5OH]2+ + H2O
[Fe(H2O)4(OH)2]+ + H3O+
[Fe(H2O)4(OH)2 ]+ + H2O
Fe(OH)3∙ 3H2O + H3O+
76
A GYAKORLATBAN ALKALMAZOTT KOAGULÁCIÓS-FLOKKULÁCIÓS VÍZTISZTÍTÁSI LÉPCSŐ FOLYAMATÁBRÁJA koagulálószer (Al3+,Fe3+) előkeverő
Felszíni víz bevezetése
gyors bekeverés
flokulálószer (anionos polimer) flokkulátor lassú keverés
ülepítő ülepítés, elválasztás tisztított víz
77
FELSZÍNI VÍZBŐL IVÓVÍZ ELŐÁLLÍTÁS (BALATON VÍZÉNEK TISZTÍTÁSA)
78
IVÓVÍZ KEZELÉSI SÉMA
79
SEMLEGESÍTÉS – SAVMENTESÍTÉS VÍZELŐKÉSZÍTÉS •
A víztisztítási folyamatok, illetve a tisztítandó felszín alatti vizek nagy agresszív szén-dioxid tartalma, esetenként szükségessé teszik a pH-beállítását.
•
Levegőztetéssel az oldott szén-dioxid koncentrációja 6-8 mg/dm3 - re csökkenthető.
•
Ha a maradék szén-dioxid eltávolítására is szükség van, akkor kémiai módszerek alkalmazására kerül sor. Ezek a módszerek: vegyszeradagolás vagy reaktív szűrés. – Vegyszerként leggyakrabban kalcium-hidroxidot illetve nátrium- hidroxidot vagy –karbonátot adagolnak szuszpenzió- vagy oldat formában a vízbe.
•
A vízben oldott széndioxid a pH-tól függően az alábbiak szerint reagál:
CO2 + OH-
HCO3-
HCO3- + OH- CO32-
pH: 4,3- 8,2 közötti + H2O
pH 8,2 80
SAVMENTESÍTÉS - SEMLEGESÍTÉS • Fehér mészhidrát (mésztej) esetén a lejátszódó reakció a következő: Ca(OH)2 + 2 CO2 Ca(HCO3)2 • Nátronlúg alkalmazásakor: NaOH + CO2 NaHCO3 • Kis szénsavtartalmú, lágy vizeknél a meszes kezelés önmagában nem elegendő. Ilyen helyeken Ca(OH)2-ot és Na2CO3-ot is használnak. • A szűrőanyaggal történő savtalanításkor a szűrő mélységi típusú, tartályban helyezik el a nehezen oldódó savtalanító anyagokat szemcsés formában. Ilyen anyag lehet például a mészkő (CaCO3) és a dolomit (CaMg(CO3)2). CaCO3 Ca2+ + CO32CO32- + H2O HCO3- + OHCO2 + OH HCO3CaCO3 + CO2 + H2O Ca (HCO3)2 81
REAKTÍV SZŰRÉSSEL TÖRTÉNŐ SEMLEGESÍTÉS A szűrőanyag oldódik a folyamat során, azaz a víz sótartalma (CaCO3 ill. dolomit esetén a keménysége) nő. A szűrő elsősorban kis vízművekben, nagyon lágy, zavarosságmentes vizek kezelésére alkalmazható. Az oldódás ugyanis nagyon lassú folyamat és szennyeződés jelenlétében a savtalanító hatás erősen lecsökken.
82
SZENNYEZŐANYAG ELTÁVOLÍTÁS DESZORPCIÓVAL • A pH megfelelő beállításával egyensúlyi folyamatok eltolhatók a gázképződés irányába. A gázhalmazállapotú komponens megfelelő levegő (ill. inert gáz) áram segítségével a folyadékból kiűzhető. A folyamat ez esetben fizikai-kémiai deszorpció, az iparban alkalmazott elnevezése stripping, azaz kiűzés. • Példa: Szén-dioxid kiűzése vízből 4,0 pH alatt, ammónia kiűzése vízből 10,0 pH felett. 83
