VÍZKEZELÉS, SZENNYVÍZKEZELÉS
1
A vizek minősítése Vízminőség: a víz fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságainak összessége. Vízszennyezés: minden olyan hatás, amely a felszíni és felszín alatti vizeink minőségét úgy változtatja meg, hogy az adott víz alkalmassága emberi használatra vagy a benne végbemenő természetes életfolyamatok fenntartására csökken, vagy megszűnik. { { { { { {
Vízhasználati célok Hidrológiai szempontok Fizikai vízminősítés Kémiai vízminősítés Biológiai vízminősítés Bakteriológiai vízminősítés
életfolyamatok
ivóvíz
kommunális felhasználás energiahordozó (gőz, hűtővíz)
A VÍZ SZEREPE
ipari tevékenység
oldószer alapanyag
mezőgazdaság
öntözés állattenyésztés halgazdaság
vízi ökoszisztéma, üdülés, gyógyászat
SZENNYVÍZ
2
ivóvízellátás gyógyászati, üdülési cél mezőgazdaság (öntözés, állattenyésztés, halgazdaság) vizi ökoszisztéma fenntartása ipari vízellátás (energetika, oldószer, alapanyag)
Vízhasználati célok
hidrológiai vízminősítés fizikai jellemzők organoleptikus tulajdonságok sótartalom, mikroszennyezők oldott gázok (oxigén, szén-dioxid) szerves anyagok (szennyezés) toxikus anyagok biológiai jellemzők egészségügyi szempontok
Hidrológiai vízminősítés felszíni: folyó, tó, tározó; felszín alatti: talaj, réteg, karszt
folyásirány, sebesség, vízhozam, vízszint
Fizikai vízminősítés • • • •
Organoleptikus vízminősítés
hőmérséklet lebegőanyag (zavarosság, átlátszóság), NTU fajlagos vezetőképesség látszólagos szín (TCU)
- szín - zavarosság - íz - szag (primer és szekunder szaghatások)
Kémiai vízminősítés (idegen anyagok jelenléte) oldott gázok
oldott sók
oldott szerves anyagok
(kationok, anionok)
Oldott gázok: CO2
CaCO3 + CO2 + H 2O ⇔ Ca ( HCO3 ) 2 MgCO3 + CO2 + H 2O ⇔
csapadékvíz pH: 5,5-5,65 (természetes) a víz oldó hatását növeli
CO2: kötött + szabad (járulékos + agresszív)
K
=
Mg ( HCO3 ) 2
[CO ]⋅ [CO ] 2− 3
[ HCO3− ]2
2
járulékos szén-dioxid
kötött szén-dioxid
3
Oldott gázok: O2
Az oxigén vízoldhatóságának hőmérsékletfüggése
A fotoszintézis napi periódusának hatása az oldott oxigéntartalomra
vízben oldott levegő ~ 40% oxigén ~ 60% nitrogén
Oxigénnel dúsított víz ???
OLDOTT SÓK (szervetlen anyagok)
talaj minősége
oldott gázok (CO2, O2)
Természetes vizek: Na+, K+,
Ca2+, Mg2+
Cl-, SO4-,
HCO3-, CO32-
tengervíz
felszíni és rétegvizek
további ionok: szennyezések Fe, Mn, NH4, As, nehézfémek NO3, NO2, SiO4, CN, huminsav
Szervetlen ionösszetétel ábrázolása négyszögdiagramon
4
A vizek keménysége és lúgossága Ca- és Mg-szappanok
Ca2+
és
Mg2+
ionok jelenléte
hidrokarbonátok: változó (karbonát) keménység : egyéb anionok (SO4, Cl, SiO4): állandó (nemkarbonát) keménység: NKK
mérőszám: keménységi fok,
vízkő (kazánkő) képződés KK ÖK = KK + NKK vagy ÖK = KK (lúgos vizek)
NKo 1 NKo = 10 mg CaO/liter víz SI egység: mmol (Ca + Mg) / dm3 víz MINŐSÍTÉS
Keménység, NKo
lágy víz
0–8
közepesen kemény víz
8 – 18
potenciális Ca és Mg oldó képesség
kemény víz
18 – 30
lúgossági fok: 100 cm3-re fogyó 0,1 M HCl
nagyon kemény víz
30 fölött
lágy víz
Lúgosság: szikes vizek (NaHCO3)
(ml)
kemény víz
Vízkövesedés
5
Szervetlen anyag: össz-sótartalom (mg/l) MINŐSÍTÉS
SÓTARTALOM (mg/l)
sószegény víz
330 alatt
közepes sótartalmú víz
300 – 600
nagy sótartalmú víz
600 – 800
igen nagy sótartalmú víz
800 fölött
tengervíz
10000 - 40000
Oldott és kolloidális szerves anyag
együttes meghatározás
TOC (total organic carbon: összes szerves szén) elégetve: CO2 mérés Indirekt módszerek: lebontás oxigénigénye
BOI5: biokémiai oxigénigény (5 nap, 20 oC) KOI: kémia oxigénigény oxidálószer: KMnO4 (használati és ivóvizek) K2Cr2O7 (szennyvizek)
BOI és KOI értékek összehasonlítása
6
Patogén baktériumok Photo: CDC. E. coli 0157:H7
Virusok
Photo: Rotavirus, ASM Digital Collection
Paraziták
Giardia
Cryptosporidium
BAKTERIOLÓGIAI VÍZMINŐSÍTÉS A kolititer az a ml-ben kifejezett legkisebb vízmennyiség, amelyből koli baktérium kitenyészthető; ha 1 kolibaktérium található 100 ml vízben, akkor a víz tiszta, 10 ml vízben, akkor elég tiszta 1 ml vízben, akkor gyanús, 0,1 ml vízben, akkor szennyezett, használtra alkalmatlan. A koliform szám a 100 ml vízben lévő Coli baktériumok száma. Az ivóvíz mikrobiológiai követelményeit az MSZ 450-3 alapján közöltek írják elő.
7
AZ IVÓVÍZ BAKTERIOLÓGIAI HATÁRÉRTÉKEI az MSZ 450-3 szabvány alapján Bakteriológiai határértékek
A
Paraméterek
Megengedhető mennyiségek
Coliformszám
0
2
10
Telepszám 37 oC-on 1 ml-ben
20
100
500
Telepszám 20 oC-on 1 ml-ben
100
500
500
B
C
Egészségügyi problémákat okozó vízszennyezők • Illékony szerves vegyületek VOCs) • Szervetlen vegyületek -nehézfémek (IOCs) • Növényvédőszerek, szintetikus szerves vegyületek (SOCs) • Radionuklidok
8
Vízszennyező komponensek, határértékek
Biológiai vízminősítés halobitás :
szervetlen tulajdonságok összesége
trofitás:
elsődleges szervesanyagtermelés: alga, hínár (feltételek)
C, H, O, N, P, fény, S
minimumelv
szaprobitás:
holt szervesanyag lebontás, heterotróf mikroorganizmusokkal
toxicitás:
természetes eredet, antropogén szennyezők
Általános vízminősítés (felszíni) MSZ 12479 A - oxigénháztartás B - tápanyag (nitrogén és foszfor) háztartás C - mikrobiológiai jellemzők D - mikroszennyezők és toxicitás D1 szervetlen mikroszennyezők D2 szerves mikroszennyezők D3 toxicitás D4 radioaktív anyagok E - egyéb jellemzők
9
A vízminőségi osztályok jellemzése I. osztály: kiváló víz. Mesterséges szennyező anyagoktól mentes, tiszta, természetes állapotú víz, amelyben az oldottanyag-tartalom kevés, közel teljes az oxigéntelítettség, a tápanyagterhelés csekély és szennyvízbaktérium gyakorlatilag nincs. II. osztály: jó víz. Külső szennyezőanyagokkal és biológiailag hasznosítható tápanyagokkal kismértékben terhelt, mezotróf jellegű víz. A vízben oldott és lebegő, szerves és szervetlen anyagok mennyisége, valamint az oxigénháztartás jellemzőinek évszakos és napszakos változása az életfeltételeket nem rontja. A vízi szervezetek fajgazdasága nagy, egyedszámuk kicsi, beleértve a mikroorganizmusokat. A víz természetes szagú és színű. Szennyvízbaktérium igen kevés. III. osztály: tűrhető víz. Mérsékelten szennyezetett (pl. tisztított szennyvizekkel már terhelt) víz, amelyben a szerves és szervetlen anyagok, valamint a biológiailag hasznosítható tápanyagterhelés eutrofizálódást eredményezhet. Szennyvízbaktériumok következetesen kimutathatók. Az oxigénháztartás jellemzőinek évszakos és napszakos ingadozása, továbbá, az esetenként előforduló káros vegyületek átmenetileg kedvezőtlen életfeltételeket teremthetnek. Az életközösségben a fajok számának csökkenése és egyes fajok tömeges elszaporodása vízszíneződést is előidézhet. Esetenként szennyezésre utaló szag és szín is előfordul. IV. osztály: szennyezett víz. Külső eredetű szerves és szervetlen anyagokkal, illetve szennyvizekkel terhelt, biológiailag hozzáférhető tápanyagokban gazdag víz. Az oxigénháztartás jellemzői tág határok között változnak, előfordul az anaerob állapot is. A nagy mennyiségű szerves anyag biológiai lebontása, a baktériumok száma (ezen belül a szennyvízbaktériumok uralkodóvá válnak), valamint az egysejtűek tömeges előfordulása jellemző. A víz zavaros, esetenként színe változó, előfordulhat vízvirágzás is. A biológiailag káros anyagok koncentrációja esetenként a krónikus toxicitásnak megfelelő értéket is elérheti. Ez a vízminőség kedvezőtlenül hat a magasabb rendű vízi növényekre és a soksejtű állatokra. V. osztály: erősen szennyezett víz. Különféle eredetű szerves és szervetlen anyagokkal, szennyvizekkel erősen terhelt, esetenként toxikus víz. Szennyvízbaktérium-tartalma közelít a nyers szennyvizekéhez. A biológiailag káros anyagok és az oxigénhiány korlátozzák az életfeltételeket. A víz átlátszósága általában kicsi; zavaros. Bűzös, színe jellemző és változó. A bomlás-termékek és a káros anyagok koncentrációja igen nagy, a vízi élet számára krónikus, esetenként akut toxikus szintet jelent.
10
Ivóvíz-források Felszíni vizek Rétegvizek (felszín alatti vizek) Felszíni vízzel közvetlen kapcsolatban lévő rétegvizek (parti szűrésű vizek) Sótalanított tengervíz Csapadékvizek (ciszterna)
11
VÍZFORRÁSOK
A felszín alóli víztermelés víztípusonként 1981-2000 között
Magyarország: napi vízkitermelés: 2,7 millió m3
12
IVÓVÍZ ELŐÁLLÍTÁS ivóvíz Hálózati víz használati víz egy vízhálózat (ivóvízminőség) párhuzamos vízhálózat (használati víz) A vízcsőhálózatból kikerülő ivóvíznek esztétikai szempontból kifogástalannak kell lennie, színtelen, szagtalan, friss és jóízű legyen, hőmérséklete 12-20 oC, nem tartalmazhat nem megengedhető koncentrációban egészségre káros anyagokat, azonban tartalmaznia kell mindazon anyagokat (ásványi anyagokat, nyomelemeket), amelyekre az emberi szervezetnek szüksége van és amelyeknek a felvétele (csak) az ivóvízzel biztosítható.
13
Hazai ivóvíztechnológiai igények Felszín alatti vízkészleteink 25-30%-a a biztonsági fertőtlenítésen kívül egyéb vízkezelést nem igényel, azaz I. osztályú (karsztvizek zöme, egyes partiszűrésű és rétegvizek). A vízkészletek közel 3/4–e II. osztályú, ezek 80-90%-a nagy vas- és mangántartalma miatt kezelendő; 15-20%-a nagy gáz- (robbanásveszélyes metán) tartalmú, a gáztalanítás (0,8 l/m3-t meghaladó metántartalom esetén) az üzembiztonság miatt kötelező; 5-10%-a arzéntartalmú;
A legtöbb gondot az arzén- és nitrátszennyezés okozza.
VÍZELŐKÉSZÍTÉS (adott célra megfelelő minőségű víz előállítása)
{ { { { { { { {
mechanikai: ülepítés, szűrés, derítés, gáztalanítás: CH4, CO2, O2 eltávolítás, vastalanítás, mangán-eltávolítás, (egyéb fémek eltávolítása) arzén-mentesítés, nitrát-, ammónia-mentesítés, szilikát-mentesítés, olajeltávolítás, lágyítás, só- (ion-) mentesítés, fertőtlenítés
14
Az ivóvíz-előállítás általános technológiai sémája
Többfokozatú vízszűrők
150-200 cm 90-120 cm
Szűrt víz
Szűrt víz
15
Nyomás alatti vízszűrő berendezések
Szivárgó homokszűrőszűrő
Mélységi szűrő regenerálása Gyors vízszűrő
16
GÁZTALANÍTÁS Általános módszerek - csörgedeztetéses (kaszkádos levegőztetés) - permeteztetéses (ejtősugaras módszer) - fúvókás porlasztás (fecskendezés) - forgókefés levegőztetés - turbinás levegőztetés - légbefúvás - élesgőz-befúvás - vákuumos-elszívás
Metánmentesítés CO2 és O2 teljes eltávolítása (kazántápvizek)
Agresszív CO2 eltávolítása • nyomáscsökkentés • melegítés • kémiai eljárások - töltött oszlop (márványtörmelék) - mésztejes kezelés - magno-maszás kezelés (részlegesen égetett dolomit)
termikus: gőzátfúvás
2 Na2 SO3 + O2
kémiai: redukció
→ 2 Na2 SO4
N 2 H 6 − (OH ) 2 + O2
→ N 2 + 4 H 2O
MgO + CaCO3 + 3CO2 + 2 H 2O = Ca(HCO3 )2 + Mg(HCO3 )2
Levegőztetőberendezések
Csörgedeztető berendezés toronyszerű töltőtesttel
17
Vastalanítás: levegőztetés hidrokarbonát
humát
Fe2+
4 Fe( HCO3 ) 2 + O2 + 2 H 2O = 4 Fe(OH ) 3 + 8 CO2
szulfát
vas
erélyes oxidálószer, koaguálás
Fe3+
Mangántalanítás: csak erélyes oxidálószer jelenlétében
DERÍTÉS
MnO2 kezdeti réteg kialakítása
derítőszerek: jól ülepedő, nagy felületű, (+) töltésű csapadék, részecske Al2(SO4)3, FeSO4, FeCl3, Na2AlO4 polialumínium-klorid (PAC): BOPAC szerves polimerek (polielektrolitok) poliakrilamidok: (PAA)
IVÓVÍZ FERTŐTLENÍTÉS Feladat: csíramentesítés
sugárkezelés (ultraibolya, radioaktív?) katodin eljárás (modern technológia?) direkt klórozás UV-technológia alkalmazása indirekt a) a lámpák elhelyezése a vezetékózonos vízkezelés rendszerben b) UV-lámpa egység hidrogén-peroxidos kezelés
18
Kémiai fertőtlenítés (klórozás) Cl2 + H2O = HOCl + ClHOCl = H+ + OClOCl- = O + ClHOCl + OCl-: szabad klór + szerves vegyületek: trihalometánok
klórfölösleg: + ammónia: klóraminok
HOCl + NH 3
→
HOCl + NH 2Cl
→
HOCl + NHCl2
Törésponti klórozás további reakciók:
NH 2Cl + H 2O
→
NHCl2 + H 2O NCl3 + H 2O
NH 2Cl + NHCl2 + HOCl
→ 4 HCl + N 2 + H 2O
4 NH 2 Cl + 3 Cl2 + H 2O → 10 HCl + N 2O + N 2 2 NH 2Cl + HOCl → 3 HCl + N 2 + H 2O NH 2Cl + NHCl2 2 HCl + Ca ( HCO3 ) 2
→ 3 HCl + N 2
→ Ca 2 + + 2 Cl − + 2 H 2O + 2 CO2
19
DEKLÓROZÁS ammónia ???, kén-dioxid, nátrium-szulfit aktívszén (szűrő) SO2 + HOCl + H 2O → Cl − + SO42− + 3 H + NHCl2 + 2 SO2 + 4 H 2O → 2 Cl − + 2 SO42 − + NH 4+ + 5 H + NH 2Cl + SO2 + 2 H 2O → Cl − + SO42− + NH 4+ + 2 H + C + Cl2 + H 2O → 4 HCl + CO2
Fertőtlenítés klór-dioxiddal (ClO2) „in situ” előállítás:
2 NaClO2 + Cl2
→ 2 ClO2 + 2 NaCl
Ózonos vízkezelés HOO· és HO· gyökök O3 + H 2O → HO3+ + OH − HO3+ + OH − O3 + • HO2
→ 2 • HO2 → • OH + 2 O2
• HO2 + • OH → H 2O + O2
extrém oxidációs hatás rövid élettartam Ivóvízkezelésben használatos ózon-generátor Hidrogén-peroxidos vízkezelés
Kombinált vízkezelés:
·OH gyökök oxidációs aktivitása (viszonylag szűk keretben alkalmazott)
modern megoldás: ózon + klór előkezelés
utókezelés
20
VÍZLÁGYÍTÁS, IONMENTESÍTÉS eltávolítása
MÓDSZEREK
keménységet okozó sók
• csapadékképződést felhasználó eljárások • komplexképző anyagok alkalmazása • ioncsere technológiák • desztilláció • fordított ozmózis • elektrodialízis
kiválásának megakadályozása
Csapadékos eljárások
a) termikus vízlágyítás (2-3 NKo) b) meszes/ meszes-szódás vízlágyítás (0,5-1 NKo)
Ca ( HCO 3 ) 2 + Ca (OH ) 2 Mg ( HCO 3 ) 2 + 2 Ca (OH ) 2
=
=
2 CaCO 3 + 2 H 2 O
Mg ( OH ) 2 + 2 CaCO 3 + 2 H 2 O
CaCl 2 +
Na 2 CO 3
=
CaCO 3 + 2 NaCl
MgCl 2 +
Na 2 CO 3
=
MgCO 3 + 2 NaCl
MgCO 3 + Ca (OH ) 2
=
Mg (OH ) 2 + CaCO 3
vízelosztó
mészoltó
mésztelítő
reaktor szűrő
Fluidizációs gyorslágyító
mésztejadagoló lágyvíz
Mésztejes lágyító
21
Mész oldat
Lágy víz
Modern meszes vízlágyító berendezés
Kemény víz
c) Trinátrium-foszfátos (trisó) vízlágyítás; elérhető: 0,2 – 0,5 NKo 3 Ca ( HCO3 ) 2 + 2 Na3 PO4 3 CaCl 2 + 2 Na3 PO4
→ Ca3 ( PO4 ) 2 + 6 NaHCO3 → Ca3 ( PO4 ) 2 + 6 NaCl
Trisó-bekeverő rendszer erőművi kazántápvíz előlágyításához
22
Vízlágyítás komplexképzéssel nátrium-citrát trinitrilo-ecetsav EDTA polifoszfátok
komplexképzők
Pentanátrium-trifoszfát: Na5P3O10 (PNTF) O
O
O
Na-O-P--O--P--O--P-O-Na ONa ONa ONa
Trinátriummetafoszfát Fluorapatit-kristály
kationcserélő: permutit, zeolit
szervetlen anioncserélő: hidotalcit, cirkonil-foszfát erősen savas (szulfonát) kationcserélő gyengén savas (akrilát)
IONCSERÉLŐK műgyanták
erősen lúgos (kvaterner ammónium só) anioncserélő gyengén lúgos (amin)
Szervetlen ioncserélők: vízlágyítás MOSÓSZEREKBEN
NaA-zeolit Si/Al = 1, Ca-ioncsere
NaX-zeolit Si/Al = 2,8, Mg ioncsere
23
Vízlágyítás A-zeolittal
Csoportosítás (i) erősen savas kationcserélők, (ii) gyengén savas kationcserélők, (iii) erősen lúgos anioncserélők (iv) gyengén lúgos anioncserélők.
24
Ioncserélő műgyanták kialakítása
Teljes ionmentesítésre
ioncsere-kapacitás áttörési kapacitás
Ionmentes-víz (energetikai célra) előállítása
25
Ipari ioncsere berendezések
Ionmentesítés desztillációval Energiaigény!
Megoldás: napenergia
26
Fordított ozmózis, csőmembrános cella
Fordított ozmózis, lapmembrános cella
Tengervíz sótalanítás
27
Sótalanítás pervaporációval
Az arzén hatása az emberre
KERATOSIS Consumers drinking this arsenic-affected water in Bangladesh suffer from numerous adverse health effects including Keratosis.
28
Az arzén kémiája • Az arzén a vizekben kétféle oxidációs állapotban fordul elő – Arzenit – Arzenát
(háromértékű, As3+ ) (ötértékű, As5+ )
Az arzenát eltávolítás sokkal nagyobb hatásfokkal oldható meg, ezért a reduktív környezetből származó As3+ komponenseket oxidálni kell
EU-előírás: As < 10 μg/l (korábbi: 50 μg/l)
Csökkentési lehetőségek • Az arzén-tartalmú vízforrás kiiktatása • Keverés • Központi (vízművi) kezelés – technikai megoldások • mellékáramú kezelések • teljes kezelés
– létező technológiák – új, fejlesztés alatti technológiák
• Csővégi (felhasználói) kezelések
29
Arzéneltávolítási lehetőségek és hatásfokok technológia
maximális %-os eltávolítás
aktivált Al2O3 adszorpció koagulálás/szűrés ioncsere mész-szódás lágyítás fordított ozmózis elektrodialízis oxidáció/szűrés
95 95 95 90 > 95 85 80
Vas/mangán + arzén eltávolítás Oxidáció/szűrés a hulladék visszamosása levegőztető nyersvíz
nyersvíz keverő szűrő mosó viz
nyersvíz a visszamosáshoz
szűrt víz
30
Csővégi megoldások
„Csővégi” (felhasználói) megoldások • Ioncsere • Aktivált alumina • Granulált ferrihidroxid • Fordított ozmózis
31
„Csővégi” megoldások lakóházban
32
Nitrát/ammónia mentesítési technológiák Lehetőségek : -
Vízforrás helyettesítés Keverés nitrát- (ammónia-)mentes vízzel Valamilyen működő regionális vízkezelőhöz csatlakozás Helyi vízkezelő rendszer kiépítése
Vízkezelési módszerek ioncsere biológiai redukció – denitrifikálás fordított ozmózis elektrodialízis kémiai redukció (katalitikus, katalizátor: Pd, Pt)
33
