Wypracowania

Uzdatnianie wody

1. Zanieczyszczenia, które występują w środowisku wodnym dzielimy na 3 grupy:

zanieczyszczenia mechaniczne. Są to substancje różnej wielkości i różnym stopniu rozdrobnienia, nierozpuszczalne;
zanieczyszczenia chemiczne. Występują w postaci rozpuszczonej w ilości większej, niż pozwalają na to normy;
zanieczyszczenia typu bakteriologicznego. Są to bakterie, wirusy czy pierwotniaki zagrażające zdrowiu.

1.1. Zanieczyszczenia typu mechanicznego

Zanieczyszczenia tego typu mogą dostawać się do wodociągów, ponieważ występują one w niektórych materiałach instalacyjnych (np. piasek). Drugim sposobem jest korozja, która powoduje powstawanie w wodzie gruboziarnistych cząstek, będących produktami korozji. Tego rodzaju zanieczyszczenia są bardzo negatywne, jeśli chodzi o wpływ na funkcjonowanie instalacji wewnętrznych. Zanieczyszczenia te są w stanie uszkodzić urządzenia kontrolno pomiarowe, a także przewody. Zanieczyszczenia, które dostają się do wodociągów stanowiących sieć zewnętrzną poprzez agresywny wpływ wody na materiały typu metalicznego i na te bazujące na cemencie raczej nie pogarszają własności wody pod kątem zdrowotnym ale wpływają na wystąpienie zmian organoleptycznych, takich jak: barwa czy mętność. Również instalacje wewnętrzne zrobione np. ze stali ocynkowanej mogą ulegać wpływowi zanieczyszczeń korozji, czyli związkami żelaza oraz cynku. Ich obecność w tego rodzaju instalacjach zmienia cechy estetyczne wody i ma negatywny wpływ na funkcjonowanie instalacji, a zwłaszcza tej odpowiadającej za ciepłą wodę. Mechaniczne typy zanieczyszczeń gromadzą się w przewodach cyrkulacyjnych, zasobnikach ciepła i przewodach poziomych.

1.2. Żelazo oraz mangan

znaczne stężenia tych pierwiastków zdarzają się w tych domostwach, które pobierają wodę z własnych, indywidualnych ujęć takich jak studnie przydomowe. Każdy z tych pierwiastków tworzy w wodzie mnóstwo związków chemicznych, mających różny stopień oddzielenia ich od wody. Gdy woda dostarczana do gospodarstwa ma wysoki poziom żelaza, jej zabarwienie oraz mętność się zmieniają, gorszy jest również smak. Tak więc żelazo jest pierwiastkiem o negatywnym wpływie na cechy organoleptyczne. Taka sama sytuacja występuje w przypadku związków manganu. Są przyczyną gorszego smaku wody, a współdziałając z żelazem wytrącają się w formie osadów barwiących bieliznę i inną odzież podczas prania. Ponadto są przyczyną zarastania wodociągów i pojawiania się rdzawych oraz plam na urządzeniach sanitarnych. Są one trudne do usunięcia, a zostawiają je uwodnione mieszaniny powyższych pierwiastków w formie tlenków.

1.3. Twardość wody

spowodowana jest jonami poszczególnych metali, głównie magnezu oraz wapnia, mniejszy wpływ ma żelaza, magnez oraz bar. Stopień twardości wody wyznacza się w oparciu o ilość węglanu wapnia (CaCO₃) w mg/l.

Klasyfikacja stopni twardości wody

- woda miękka: mniej od 100 miligramów CaCO₃ na litr;

- woda twarda : 100-300 miligramów CaCO₃ na litr;

- woda bardzo twarda: 300-500 miligramów CaCO₃ na litr.

Twardość ogólna pitnej wody mieści się w zakresie 60 - 500 miligramów CaCO₃ na litr wody. Ta w której węglan wapnia występuje w ilościach przekraczających 500 mg w jednym litrze wody nie powinna być pita, ani używana w gospodarstwie. Powyższe dane wynikają z Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dnia 4 września 2000 roku.

W instalacjach twarda woda jest przyczyną kumulacji kamienia. Odkłada się on na elementach instalacji i urządzeniach, które wykorzystują wodę podczas eksploatacji. Odnosi się to zwłaszcza do elementów podgrzewających wodę, w trakcie czego wytrąceniu ulega twardy osad. stanowią one swego rodzaju izolatory, ponieważ zmniejszają przewodnictwo cieplne, zarazem zwiększając koszty użytkowania owych urządzeń. Woda twarda zmniejsza pienienie się mydła, zwiększa zużycie proszku podczas prania, a wyprana w takiej wodzie bielizna nie ma połysku. Ponadto twarda woda wysusza skórę.

1.4. Organizmy bakteryjne, wirusowe i kancerogeny

Woda, która pochodzi z wodociągu powinna być pozbawiona wirusów i bakterii, ponieważ poddaje się ja wcześniejszej dezynfekcji oraz uzdatnianiu. Niestety po wyjściu z oczyszczalni woda może być zanieczyszczona wtórnie. Dzieje się to w wodociągu na skutek awarii, napraw wodociągów lub przebić z biegnącej równolegle kanalizacji. Gdy to nastąpi chlor użyty do dezynfekcji (nawet w nadmiarze), całkowicie wiąże się z substancjami typu organicznego. Jest to proces tak intensywny, ze wcześniej wyczuwalny zapach chloru po zakręceniu wody płynącej z kranu zanika. Zjawisko to może być źródłem niebezpiecznych trojhalometanów w wodzie bieżącej. Równie zaprojektowanie oraz wykonanie sieci instalacyjnej wewnętrznej może zabezpieczyć nas przed zanieczyszczeniem wody mikroorganizmami.

Normy prawne w Polsce nie są nazbyt rygorystyczne wobec substancji kancerogennych. Na szczęście korzystny wpływ Unii Europejskiej przynosi zmiany w tym kierunku. Ustalane są normy dla 11 substancji tego typu, niestety w Polsce aż 6 z nich nie jest normowanych. Przykład to chlorek winylu. Ci mieszkańcy, którzy korzystają z rur PCV nie poddanych wcześniej odpowiednim procesom usunięcia z nich monomeru chlorku winylu, najprawdopodobniej korzystają z wody wprowadzającej do ich organizmu 0,05 - 2,5 μg tego rakotwórczego związku dziennie. Jego dopuszczalne spożycie dzienne jest równe zeru.

2. Procesy oraz urządzenia, dzięki którym możliwe jest oczyszczanie wody

2.1. Filtry mechaniczne

Służą do zatrzymywania mułu, piasku, rdzy oraz włókien. W zależności od zastosowanego w filtrze materiału filtracyjnego wyłapywane są zanieczyszczenia różnej wielkości. Wklady mechaniczne typu włókniowego wyłapują cząstki większe od 5 mikronów, typu celulozowego większe od 1 mikrona, a typu ceramicznego większe od 0,1 mikrona. Najbardziej efektywne są filtry melt-blown. Wykonuje się je technika polegająca na rozpyleniu polipropylenu pod wpływem gorącego powietrza. Skuteczność tych filtrów to 99,98%. Na potrzeby domowe w zupełności wystarczają filtry o skuteczności 95%. Specjalne wkłady mechaniczne stosuje się w celu zapobiegania uszkodzeniom oraz zamuleniem stosowanych urządzeń, lecz one same nie służą do uzdatniania wody. Stosuje się je razem z uzdatniaczami wody.

2.2. Filtry węglowe

Wychwytują zanieczyszczenia przez ich sorpcje (pochłanianie) na węglu aktywnym. Ich działanie ma na celu obniżenie stężenia chloru oraz jego pochodnych, likwidacje bakterii, niektórych pestycydów, detergentów, metali ciężkich i fenoli. Poprawia to smak oraz kolor wody. Do tego rodzaju filtrów stosuje się węgiel pokryty srebrem lub węgiel czystej postaci. Żeby urządzenie było efektywne węgiel aktywny musi mieć prawidłowa granulacje oraz zapewniać niezbędny czas kontaktu substancji i związków, będących zanieczyszczeniami z węglem. Zjawiskiem niedopuszczalnym jest wydostawanie się na zewnątrz cząstek węgla. Istnieją również wkłady w których stosuje się mieszankę węgla np. z żywica jonowymienna (zmiękcza wódę) lub ze stabilizatorem KDF (tak jak srebro zabezpiecza przed namnażaniem się bakterii we wnętrzu wkładu). Do ciekawych rozwiązań należy zaliczyć System Biofiltracji Wody Ecomaster. W jego skład wchodzi jednolity blok węglowy, żywica PentaPure oraz filtr usuwający mechaniczny typ zanieczyszczeń. Zastosowana żywica jest środkiem oczyszczającym wodę pod kontem mikrobiologicznym. Jednolity blok węgla aktywnego efektywnie filtruje wodę, a jego dużą wydajność umożliwia redukcje substancji rakotwórczych, skondensowanych chemikaliów, rozpuszczalników przemysłowych, ołowiu, herbicydów i pestycydów. Ponadto usuwane są również substancje i związki psujące smak oraz zapach wody (np. chlor). Stosowany blok węgla aktywnego składa się z milionów zbitych cząstek węgla w stanie aktywnym. Tym sposobem uzyskuje się kanały o średnicy 0,2 mikrona.

2.3. Filtry wykorzystujące odwrócona osmozę.

W przypadku, gdy rozcieńczony roztwór oddzielimy membrana półprzepuszczalna od roztworu stężonego w sposób naturalny zachodzi osmoza. Wodę porusza się dzięki różnicy stężeń i przechodzi z roztworu o mniejszym stężeniu do roztworu o większym stężeniu. Cały proces trwa do momentu ustalenia się równowagi, zwanej równowaga osmotyczna.

W przypadku gdy po stronie większego stężenia przyłożymy większe ciśnienie, od ciśnienia osmotycznego naturalny przepływ zostanie zaburzony i zmieni kierunek na przeciwny. Woda zacznie przechodzić z roztworu o większym stężeniu do tego o mniejszym. Tym sposobem usunięte zostaną z niej zanieczyszczenia. Stanowi to podstawowa zasadę hiperfiltracji, czyli odwróconej osmozy. Wkłady wykorzystujące odwrócona osmozę poprzedza się wkładami mechanicznymi oraz węglowymi. Proces ten odbywa się w następujący sposób:

Wodę pompuje się do specjalnego ciśnieniowego zbiornika, który zawiera spirale, bądź tez wydrążone włókna, które wytwarza się z membrany typu półprzepuszczalnego.
Po oczyszczeniu woda przepływa przez membranę dając przesącz.
W pozostałej wodzie skumulowane są zanieczyszczenia zwane koncentratem. Jest ona odprowadzana do kanalizacji.

Taki system filtracyjny jest źródłem wody pozbawionej niemalże wszystkich zanieczyszczeń. Z wody po takiej filtracji zostaje usuniętych 95 – 98% nieorganicznych związków typu rozpuszczonego, 99% organicznych i 99% cząstek koloidalnych oraz stałych w tym wszystkich mikroorganizmów.

Niestety zastosowanie tej metody oczyszcza wodę nie tylko z zanieczyszczeń, ale również z minerałów. Jest to powodem wielu sprzeciwów, ponieważ niesione przez wodę minerały są niezbędne dla poprawnego funkcjonowanie naszych organizmów.

2.4. Odżelazianie

Stosowane w przypadku zbyt wysokich stężeń żelaza czy manganu. Taka woda jest mętna i o zmienionej barwie, daje rudawy osad na urządzeniach. Wkłady odżelaziaczy stosuje się w kompozycji z wkładami mechanicznymi, węglowymi i wszystkimi innymi. Usuwanie żelaza oraz manganu z wody polega na przeprowadzeniu ich rozpuszczalnych form w formy trudno rozpuszczalne. Jest to możliwe do osiągnięcia dwoma sposobami. Pierwszy wykorzystuje metodę wymiany jonowej, drugi natomiast wstępne utlenianie zawartych w wodzie związków żelaza. Drugi sposób jest bardziej powszechny. Utlenienie przebiega na drodze dozowania katalizatorów chemicznych lub tlenu (tańszy sposób) do wody. Na usuwanie żelaza przypadają trzy etapy:

napowietrzanie (stosuje się sprężarki, bądź tez inzektory);
korekta odczynu;
Filtracja na złożu.

W przypadku, gdy oba pierwiastki występują w dużych ilościach (najczęściej ma to miejsce w studniach), przeprowadza się filtracje dwustopniowa. Jako pierwszy stosuje się filtr, który oczyszcza wodę z żelaza.

Odżelaziacze (zmiękczacze również) są urządzeniami bezobsługowymi, za których kontrole odpowiadają specjalne głowice. Z polecanych trybów pracy wyróżniamy objętościowy oraz czasowy. W tym pierwszym głowice samodzielnie oszacowują parametry w oparciu o bieżące dane odnośnie zużycia wody, a następnie w odpowiednim momencie włączają regeneracje. W przypadku sterowania czasowego proces regeneracji uruchamiany jest po upływie z góry określonego czasu, który ustala serwis na podstawie danych odnośnie poboru oraz jakości wody. Przez producentów oferowane są również systemy z orurowaniem zaopatrzone w zespól zaworów, służący do manualnej kontroli procesu regeneracji. Niestety rozwiązanie to jest bardzo czasochłonnym i dlatego nie znalazło wielu zwolenników. Ponadto system zautomatyzowany pozwala na znaczna oszczędność wody podczas płukania.

2.5. Zmiękczacze

Proces zmiękczania wody opiera się na likwidacji twardości wody, poprzez rotacje polegająca na zastąpieniu jonów magnezowych oraz wapniowych na jony sodu. Odbywa się to w urządzeniach zwanych wymiennikami jonowymi, podczas kontaktu wody ze specjalna masa jonowymienna. Takie złoże najczęściej stanowi żywica o dużej odporności cieplnej, fizycznej i chemicznej. Złoża jonowymienne cechuje dobra kinetyka wymiany jonowej. Na kwaśnym kationicie usuwana jest twardość. Odbywa się to w oparciu o wymianę sodowa. Jony sodu zastępują jony wapnia oraz magnezu. Równocześnie usuwane są jony żelazowe, a także manganowe. Po takim procesie twardość ogólna wody jest równa około 0,03mval//dm3. Niestety woda tak znacznie zmiękczona ma nieprzyjemny smak, dlatego zmiękczając wodę do celów spożywczych używa się mieszaczy wody. Mieszają one wodę zmiękczona z surowa dając dowolnie oczekiwany przez nas efekt. Tak jak w przypadku odżelaziaczy stosuje się sterowanie automatyczne objętościowe, bądź tez czasowe.

2.6. Filtry dezynfekujące

Tego rodzaju filtry posiadają lampy ultrafioletowe, mające działanie bakteriobójcze. Rozwiązanie to umożliwia likwidacje mikroorganizmów chorobotwórczych. Filtry te działają na prąd i są stosowane przy wkładach mechaniczno – węglowych. Ich efektywność w usuwaniu zanieczyszczeń jest zależna od zawartości zanieczyszczeń w filtrowanej wodzie, a także od rodzaju wkładu. Zastosowanie promieniowania ultrafioletowego nie jest szkodliwe dla człowieka.

3. Sposoby instalacji

W przypadku filtrów stojących (są małe), najczęściej stawia się je na zlewie lub mocuje do ściany tuz przy baterii, do której są podłączane. Można je podłączyć także do rury, która doprowadza wodę. Filtry stojące posiadają osobna wylewkę, która wypływa już przefiltrowana woda, natomiast woda nie filtrowana jest pobierana przez baterie. Szybkość procesu filtrowania jest zależna od urządzenia i waha się pomiędzy 1,4, a 9,5 l/minutę. Zazwyczaj stosuje się w nich wkłady typu mechaniczno – węglowego. Filtry te niekiedy maja zamontowane lampy dezynfekcyjne.

Innym typem filtrów są filtry montowane bezpośrednio na baterii. Łączy się je na stale z końcówka wylewki albo miedzy wylewka i korpusem baterii. Posiadają one przełącznik, który umożliwia pobór wody nie filtrowanej. Istnieją różne modele tych filtrów. Różnią się mocą filtrowania wody, która waha się pomiędzy 0,5, a 2,8 l/minutę. Zazwyczaj stosuje się przy nich wkłady typu mechaniczno – węglowe.

Jeszcze inaczej montowane są filtry podzlewozmywakowe, które podłącza się do rur odpowiedzialnych za doprowadzanie wody. Posiadają one osobna wylewkę oraz kurek, dzięki czemu możemy korzystać także z wody nieprzefiltrowanej. W tego typu filtrach zazwyczaj stosuje się trzystopniowe oczyszczanie wody. Pierwszy stopień to oczyszczanie mechaniczne, drugi to węglowy, a trzecim stopniem jest zmiękczanie lub odwrócona osmoza. Każdy filtr używający odwrócona osmozę musi mieć połączenie z odpływem, w celu odprowadzania zanieczyszczeń. Zdecydowana większość tych filtrów ma 10- lub 12- litrowy pojemnik na przefiltrowana ciecz. Tego rodzaju filtry dobrze oczyszczają wodę. Ich szybkość filtrowania jest równa 20 do 190 l/24 godziny (z pojemnikiem na wodę) albo 1,2 do 9 l/minutę (bez pojemnika).

Jeszcze inne są filtry podłączane do rury z zimna, bądź tez ciepła woda. Montuje się je na początku lub za wodomierzem. Posiadają kloszowa obudowę, do której dobiera się pojedynczy wkład odpowiednich rozmiarów. Instalowanie więcej niż dwóch takich filtrów nie przynosi korzyści, ponieważ obniżają one ciśnienie w rurach. Od modelu takiego filtra i rodzaju wkładu zależna jest prędkość filtrowanej przez niego wody. Jeśli zastosujemy wkład zmiękczający, bądź tez odżelazający będzie to 5 l/minutę, natomiast w przypadku wkładu mechanicznego 25 – 8 l/minutę.

Istnieją także filtry instalowane bezpośrednio przy kranach, którymi doprowadza się wodę do zmywarek oraz pralek. Dzięki nim urządzenia te działają znacznie lepiej, mniej się zużywają i są tańsze w eksploatacji.