Filtrace znečištěné vody: Principy a technologie

Každým rokem stále naléhavěji pociťujeme problém nedostatku pitné vody. Už teď k ní nemá přístup zhruba 1/6 obyvatel Země. K příčinám deficitu sladké vody patří: mnohem vyšší spotřeba, která neodpovídá potřebám; rostoucí počet populace; tání ledovců; znečištění povrchových vod odpady z domácností a průmyslovými odpady.

Průmyslová úprava vody představuje důležitou etapu ve výrobě nejrůznějších produktů. Denně konzumujeme nápoje různých druhů a ani nám nepřijde na mysl, kolika etapami filtrace vlastně prochází voda, ze které se vyrábějí. Stejně důležité je i průmyslové čištění odpadních vod, s nimiž se do přírodních zdrojů dostává spousta škodlivých chemikálií.

Pod pojmem úprava vody rozumíme soubor technologických procesů, kterými se mění vlastnosti vody na úroveň požadovanou spotřebitelem. Kvalita vody musí vyhovovat především způsobu použití. Z tohoto hlediska lze vodu rozdělit na vodu pitnou, užitkovou a provozní. Jakost upravené pitné vody závisí do značné míry na kvalitě vody ze zdroje, která se však v průběhu roku mění v závislosti na ročním období a meteorologických a hydrologických podmínkách. Proto musí být technologické zařízení úpravny uspořádáno tak, aby upravovalo vodu v požadované kvalitě za nejméně vhodných podmínek. Limitujícím faktorem pro způsob úpravy podzemních vod je zpravidla koncentrace železa, manganu a volné kyseliny uhličité.

Procesy úpravy vody

Pro dosažení požadované jakosti vody se používá celá řada technologických procesů, které je možné dělit dle různých hledisek a kriterií. Nejpoužívanější dělení je na procesy fyzikální, chemické a biologické. Fyzikálními procesy se z vody odstraňují převážně suspendované látky a rozpuštěné plyny. Chemickými procesy se voda upravuje k dalšímu odstraňování nežádoucích látek a ke zdravotnímu zabezpečení vody. Technické řešení technologie úpravy vody závisí na jakosti a množství upravované vody.

Fyzikální metody

Fyzikálními metodami průmyslového čištění se z vody odstraňují příměsi, a to bez použití reagentů. Základem těchto metod jsou různé fyzikální jevy.

Čtěte také: Silně znečištěná voda a její filtrace

• Mechanická filtrace: Průmyslové úpravny vody mechanickou filtrací je nejjednodušší metodou, provádí se v prvotní fázi úpravy vody. Mechanické filtry se dělí na filtry pro hrubé a filtry pro jemné čištění.
  • Filtry pro hrubé čištění se používají ve fázi odběru vody. Fungují následovně: síto zabraňuje procházení velkých částic příměsí - písku, hlíny, organiky, solí vápníku a hořčíku. Jsou nezbytným prvkem úpravy vody.
  • Filtry pro jemné čištění mají cartridge (zásobník) se sorbentem. Voda prochází sorbentem a čistí se přitom od nejrůznějších plynů, chemických sloučenin, některých mikroorganismů.
• Membránové technologie: Mezi fyzikálními metodami jsou zvlášť populární membránové technologie. Nejefektivnější membránovou technologií je úprava vody pomocí zpětné (reverzní) osmózy. Póry v reverzně osmotické membráně jsou menší než 0,0001 µm. Tato membrána propouští molekuly vody a kyslíku, přičemž zadržuje různé příměsi. Reverzně osmotická membrána likviduje kromě škodlivých nečistot i potřebné minerály, k jejichž obnově slouží mineralizátor. Mimo zmíněného zásobníku mohou být do systému přidány ionizátor a změkčující blok.
• Ultrafiltrace: Princip, na němž funguje ultrafiltrace, se shoduje s reverzně osmotickými systémy. Voda prochází membránou, která zachytí mikroorganismy, řasy, suspendované částice, napomáhá odstranění zákalu a zabarvení. Póry této membrány mají velikost 0,002…0,1 µm a jsou tedy větší než póry v membránách reverzní osmózy a nanofiltrace. Membrána v ultrafiltraci sestává z mnohokanálových vláken zhotovených z modifikovaného polyethersulfonu. Vláken je několik desítek tisíc. Membrána reverzní osmózy je zhotovena ze syntetických materiálů a má podobu válce z fólie smotané do role. Při ultrafiltraci zůstanou nečistoty v membráně. V případě reverzní osmózy vycházejí z membrány dva proudy vody. První představuje vyčištěnou kapalinu, druhý pak koncentrát, který se vylévá. V reverzně osmotických systémech tak při čištění dochází ke ztrátě až 1/3 vody.
• Flotace: Flotace (separace, rozdružování) se aktivně využívá k čištění odpadních vod v průmyslu. Je účinná při odstraňování ropných produktů. Je založena na přidávání dispergovaného vzduchu do vody. V důsledku jeho působení se molekuly nečistot shromažďují na povrchu vody v podobě bílé pěny a odtud se pak odstraňují pomocí speciálního zařízení.

Chemické metody

• Dezinfekce chlórem: Dezinfekční účinek chlóru byl objeven už v 19. století. Lékaři jedné z vídeňských nemocnic si v roce 1846 začali oplachovat ruce vodou s chlórem. Chlór je silný oxidant, reaguje s vodou, vytváří kyselinu chlornou, a ta ničí bakterie. K dosažení efektu musí být voda v kontaktu s chlórem nejméně 30 minut. Účinek působení kyseliny chlorné může přetrvávat ještě dlouho po bezprostředním ošetření, což vyžaduje větší množství chlóru. Dávka reagentu se v každém případě počítá individuálně. Je důležité nepřehnat to s přemírou chlóru, protože ve velkém množství může vyvolat zdravotní problémy, zvláště nebezpečné jsou jeho sloučeniny.
  • se provádí při odběru vody. V této fázi nemá reagent pouze zničit bakterie, ale má také okysličit kovy a odvést je tak z vody.
  • se použije v případě silné kontaminace zdrojů odběru vody, kdy normální chlorování je vůči patogenní mikroflóře neúčinné. Dávka reagentu je nadsazená, tato přemíra chloru může u vody způsobit změnu organoleptických ukazatelů. Zbytkový chlor se odstraňuje dechlorováním.
  • jsou způsoby úpravy vody chlorem v kombinaci s dalšími reagenty: stříbrem, mědí, hořčíkem atd.
• Odželezování: Zvláštní pozornost si zaslouží odželezovací zařízení. Železo v rozpuštěném stavu totiž zanáší průmyslová zařízení, která se kvůli tomu rychle ničí. Základem odželezovacích filtrů je speciální materiál Greensand, což je vlastně jemnozrnný písek, nahoře pokrytý oxidem manganičitým. Právě tento oxid okysličuje molekuly železa, které pak odcházejí do sedimentu.
• Adsorpce: Adsorpcí se rozumí pohlcování molekul nečistot povrchem adsorbentu - pevného tělesa s porézním povrchem. Filtry na bázi aktivního uhlí se často používají k výslednému čištění vody. Jsou nenahraditelným prvkem téměř každé filtrace.
• Iontová výměna: Variantou adsorpce je iontová výměna. Filtry na bázi iontové výměny obsahují filtrační vložku s pryskyřicí, ve které jsou ionty sodíku. Voda se zvýšeným obsahem solí se při průchodu filtrem změkčuje.
• Koagulace a flokulace: Metoda koagulace (srážení) spočívá v tom, že speciální látky - koagulanty - k sobě přitahují nečistoty - soli kovů, písek, hlínu, a pak v podobě chuchvalců odcházejí do sedimentu. Voda se pak po odstátí buď dále čistí filtrací, nebo vylévá. Variantou koagulace je flokulace (vločkování).

Biologické procesy

Zavedení prospěšných mikroorganismů nebo speciálních substrátů do vody podporuje přirozený rozklad organických znečišťujících látek.

Moderní technologie úpravy vody

Příloha č. 13 vyhlášky 120/2011 Sb. uvádí ukazatele jakosti surové povrchové i podzemní vody a jejich mezní hodnoty pro jednotlivé kategorie standardních metod úpravy surové vody na pitnou.

• Surová voda vyžaduje jednodušší úpravu, např. koagulační filtraci, jednostupňové odželezňování, odmanganování nebo infiltraci, pomalou biologickou filtraci, úpravu v horninovém prostředí a to vše s koncovou dezinfekcí.
• Úprava surové vody vyžaduje dvou či vícestupňovou úpravu čiřením, oxidací, odželezňováním a odmanganováním s koncovou dezinfekcí popř. jejich kombinaci. Mezi další vhodné procesy se řadí např. využívání ozónu, aktivního uhlí, pomocných flokulantů, flotace.

Pokud surová voda vykazuje vyšší koncentrace, než jsou uvedeny pro kategorii A3, pak podle § 13 odst. 2 zákona č. 274/2001 Sb. lze vodu této jakosti výjimečně odebírat pro výrobu pitné vody s udělením výjimky příslušným krajským úřadem. Pro úpravu na vodu pitnou se musí použít technologicky náročné postupy spočívající v kombinaci typů úprav uvedených pro kategorii A3, přičemž je nutné zajistit kvalitu vyráběné pitné vody podle vyhlášky č. 252/2004 Sb.

Separační stupně

Jako první separační stupeň se nejčastěji využívají sedimentační nádrže nebo čiřiče. Kromě již jmenovaného typu usazovacích nádrží se používají i kruhové usazovací nádrže s horizontálním nebo vertikálním průtokem. Častým způsobem inovace jsou lamelové vestavby různých systémů. Jejich teorie je podrobně propracovaná již od 60. let minulého století. Od 50. let minulého století jsou běžnou součástí vodárenských technologií čiřiče.

Po stránce hydraulické rozeznáváme čtyři druhy čiřičů, a to s hydraulickým vznosem vločkového mraku, s mechanickým vznosem vločkového mraku, s cirkulací kalu a s periodicky se měnícím průtokem. Všechny tyto čiřiče pracují s vločkovým mrakem, což je vznášená vrstva vločkovitých částic, které vznikly chemickým srážením. Rozdíl je pouze v tom, že u některých čiřičů je vločkovací prostor součástí čiřiče (spolu s prostorem čiřícím a zahušťovacím), zatímco u jiných typů čiřičů (např. galeriové čiřiče) se musí vločkování provádět v předřazených nádržích. V takovém případě se inovace omezují na zlepšení hydrauliky pro lepší stabilizaci vločkového mraku.

Čtěte také: Jak filtrovat vodu v přírodě?

Z jedné podélné nádrže klasické šířky 6 m se většinou budují tři až čtyři jednotky čiřičů, což přispívá k možnosti provozovat úpravnu vody ve velmi rozdílných průtočných výkonech. Vlastní jednotka čiřiče může spolehlivě pracovat v rozpětí svého výkonu od 60 do 100 % a další výrazné změny průtoku mohou být měněny vypínáním či zapínáním do provozu konkrétního počtu jednotek čiřičů. První separační stupeň by měl vždy pracovat v optimálních technologicko-hydraulických podmínkách, což je při úpravě vody chemickým srážením to nejdůležitější.

Zhruba od šedesátých let 20. století je jako první separační stupeň v rámci dvoustupňové úpravy vody zařazována flotace, a to nejprve na úpravnách vody v Kanadě, USA, Velké Británii a v zemích Evropské unie. První realizace flotace na našem území však trvala ještě další řadu let. Až koncem roku 2005 byla v České republice uvedena do provozu první vodárenská flotace na ÚV Mostiště, kterou provozuje VAS a.s. Podstatou flotace je separace tuhých nebo kapalných částic z vody, která se provádí zavedením jemných vzduchových bublin do vody. Bubliny přilnou k jednotlivým částicím, čímž vytváří aglomeráty bublina - částice s hustotou nižší než voda. Vztlaková síla takto vzniklých aglomerátů je dostatečně velká, aby způsobila stoupání částice k hladině. K docílení kvalitního flotačního účinku je třeba dobrá předcházející flokulace, proto kompaktní flotační jednotka se skládá ze dvou částí - flokulační (předúprava vody) a flotační.

Oproti sedimentaci a čiření má flotace výhodu, že je účinnější pro separaci malých částic velikosti desítek µm, které prakticky nesedimentují a jsou zpravidla zachytávány až na pískových filtrech. Vyšší separační účinnost flotace se pak pozitivně projevuje na provozu následného separačního stupně. Další výhodou flotace je vysoká účinnost odstranění především CHSKMn, zákalu, barvy a velmi vysoká účinnost odstranění biologických látek. Ve světě je proto flotace navrhována i na úpravu silně eutrofizovaných vod, kde jiné separační procesy selhávají. K výhodám flotace patří také vysoká sušina kalu, která se podle konstrukce flotace, způsobu odtahu kalu a dalších provozních požadavků pohybuje od 0,2 do 6 %. Rovněž nároky na plochu jsou menší než u klasických technologií používaných pro první separační stupeň. Nevýhodou flotace je značná energetická náročnost vyplývající z nutného chodu dmychadel a oběhových čerpadel tzv. „bílé vody“. Tato zařízení musí být v provozu na plný výkon i při nižší potřebě výroby vody.

Rychlofiltrace

Jako druhý separační stupeň se v současné době využívá především rychlofiltrace, která se vyvinula z filtrace pomalé. První pomalé filtry byly navrženy v roce 1829 v Anglii. Úprava vody pomalou (biologickou) filtrací je analogií čistících procesů povrchových vod v přírodě. Při pomalé filtraci je technologicky nejúčinnější horní vrstva písku v tloušťce 1 až 2 cm, tzv. biologická blána s intenzivním oživením aerobními mikroorganismy a řasami.

První rychlofiltry byly uvedeny do provozu v Somerville (New Jersey, USA) v roce 1885, v Evropě v úpravně vody pro město Curych (Švýcarsko) v roce 1895. Tyto rychlofiltry měly uspořádání průtoku stejné jako pomalé filtry, tj. voda protékala zatopenou vrstvou písku směrem shora dolů gravitací. Převážná většina současných konstrukcí je založena na stejném principu. Podle konstrukce rozlišujeme dvě základní varianty rychlofiltrů, a to evropské a americké. Rozšířenější jsou evropské rychlofiltry, staví se s mezidnem nebo bez mezidna a jsou prány vzduchem a vodou zpravidla zdola. Americké rychlofiltry jsou vývojově starší, bez mezidna a jsou prány shora i zdola. Základními funkčními prvky otevřeného filtru jsou filtrační nádrž, strojně technologické vybavení a zařízení pro kontrolu provozu.

Čtěte také: Nepřekonatelná filtrace: Klíč k čistšímu vzduchu

Co se týká inovací otevřených rychlofiltrů, tak pokud jsou nádrže v dobrém stavebním stavu, je jednoduchou inovací zavedení vícevrstvé filtrace, která zvýší kalovou kapacitu filtru a prodlouží filtrační cyklus. Vrstev může být více, ale již dvě vrstvy významně zlepší funkci filtru. V úvahu přichází rovněž zavedení jiného materiálu do filtrační náplně než je klasický křemičitý písek. Lze využít antracit, který se hodí jako horní vrstva nebo zvážit použití zrněného aktivního uhlí, které má kromě filtračního i sorpční účinek. Provoz filtru s aktivním uhlím je však výrazně dražší, neboť po poklesu sorpčního efektu je třeba náplň vyměnit, k čemuž dochází v závislosti na kvalitě filtrované vody po několika letech.

Kromě nahrazení či doplnění náplní filtrů je vhodné uvažovat i o konstrukčních zlepšeních, a to směrem ke konstrukcím bez mezidna, avšak se zachováním principu používání pracího vzduchu (obvyklého u evropských filtrů), což umožňuje nižší spotřebu prací vody. V úvahu přicházejí systémy Novák, Leopold, u menších jednotek i Triton. Významnou inovací může být modernizace regenerace rychlofiltrů, tedy optimalizace délky a intenzity jednotlivých fází regenerace. Dochází pak k významným úsporám energie i množství regeneračních médií.

Dezinfekce vody

Dezinfekce vody neboli hygienické zabezpečení vody je naprosto nezbytnou částí technologického procesu úpravy vody. V této závěrečné fázi technologie dochází k zneškodnění a usmrcení choroboplodných zárodků, jako jsou bakterie a viry, a také k zajištění prevence před jejich výskytem v pitné vodě.

• Chlorování: Chlorování je nejčastější způsob dezinfekce vody v ČR, ale i v zahraničí. Důvodem častého využívání chloru je jeho velká baktericidní účinnost, kterou si zachovává i v malých koncentracích. Další plus je poměrně jednoduché použití i kontrola a rovněž i silné oxidační účinky. Použití chloru v průběhu úpravy vody na pitnou je však možné jen tehdy, když surová voda neobsahuje organické látky, které tvoří s chlorem chlorované sloučeniny, v případě huminových látek trihalogenmethany.
• Ozonizace: Z bezchlórových variant hygienického zabezpečení pitné vody je již dobře známa ozonizace. Dezinfekční účinek ozónu je větší než u chloru. Pro technické potřeby se ozón vyrábí v ozonizátorech ze vzduchu zbaveného vlhkosti nebo z kyslíku. Výhodou je, že při ozonizaci nevznikají vedlejší chlorované produkty, nevýhodou je nutnost výroby ozónu na místě použití a krátkodobý účinek v místě aplikace. Proto i tam, kde je ozón využit pro dezinfekci upravené pitné vody, musí být při jejím rozvodu vodovodní sítí zajištěna hygienizace.
• Ultrafialové záření: Ultrafialové záření je fyzikálním způsobem dezinfekce s nejsilnějším baktericidním účinkem při vlnové délce asi 260 nm. Účinek tohoto záření spočívá v působení na protoplazmu mikroorganizmů, kdy dochází ke změně její struktury a tím k usmrcení mikroorganizmů. Zdrojem ultrafialového záření bývají rtuťové křemenné lampy, kolem nichž v tenké vrstvě cirkuluje voda. Doba ozařování bývá poměrně krátká, řádově do několika minut. Výhodou tohoto způsobu dezinfekce je, že odpadá manipulace s chemikáliemi a kontrola jejich dávkování. Účinek dezinfekce však není trvalý, rovněž je nutno počítat s určitou životností ozařovacích lamp a s nároky na energii.
• Membránové procesy: Nejen k dezinfekci lze využít membránových procesů, do jejichž skupiny patří mikrofiltrace, ultrafiltrace, nanofiltrace a reversní osmóza. Někdy se do této skupiny zařazuje také elektrodialýza. Membránové procesy využívají polopropustnou membránu na odstraňování nejen mikroorganismů, ale i organických a anorganických látek z vody.

tags: #filtrace #znecistene #vody #princip #technologie

Oblíbené příspěvky:

• Plasty s označením "7"
• Recyklované nádobí
• Norma pro dimenzi stoupačky
• Obrazy Jaroslava Sodomky
• Vlastnosti a výhody ekologických podložek