Uzdatnianie wody wodociągowej

1. Rodzaje i źródła zanieczyszczeń występujących w wodzie
2. Procesy i urządzenia do usuwania zanieczyszczeń wody
a) filtry mechaniczne
b) filtry węglowe
c) filtry odwróconej osmozy
d) odżelaziacze
e) zmiękczacze
f) filtry dezynfekujące
3. Sposób instalacji

1. Zanieczyszczenia występujące w wodzie możemy podzielić na 3 zasadnicze grupy:
- zanieczyszczenia fizyczne (mechaniczne), czyli substancje nierozpuszczalne, o różnej wielkości i stopniu rozdrobnienia
- zanieczyszczenia chemiczne, związane z występowaniem rozpuszczonych związków
chemicznych w ilościach większych niż dopuszczają to normy
- zanieczyszczenia bakteriologiczne, wynikające z obecności różnorodnych bakterii i wirusów
Wybrane dopuszczalne wskaźniki jakości wody są następujące (wg. Rozporządzenia Ministra Zdrowia z dnia 4 września 2000r. Dz.U. Nr 32 poz.937)
• Barwa - 20mgPt/dm3
• Mętność - 5mgSiO2/dm3
• Subst. rozpuszczone – 800mg/dm3
• Twardość ogólna- 60 - 500mgCaCO3/dm3
• Żelazo – 0,2mgFe/dm3
• Mangan – 0,05mgMn/dm3
• Siarczany – 250mgSO4/dm3
• Azotany – 10mgN/dm3
• Chlorki – 250mgCl/dm3

1.1. Zanieczyszczenia mechaniczne
Zanieczyszczenia mechaniczne w sieci wodociągowej mogą się pojawiać ze względu na ich występowanie w materiałach instalacyjnych (np. piasek), a także wskutek procesów korozyjnych, w wyniku których w wodzie pojawiają się gruboziarniste cząstki – produkty korozji. Zanieczyszczenia te mają bardzo niekorzystny wpływ na warunki pracy instalacji wewnętrznych. Gruboziarniste zanieczyszczenia uszkadzać mogą armaturę kontrolno-pomiarową oraz niszczyć powierzchnie wewnętrzne przewodów. Zanieczyszczenia dostające się do wody wodociągowej w sieciach zewnętrznych w wyniku agresywnego oddziaływania wody na materiały metaliczne i materiały na bazie cementu nie powodują bezpośrednio zmiany własności zdrowotnych wody, jednakże wpływają na zmianę własności organoleptycznych (smaku, barwy, mętności). Także w instalacjach wewnętrznych wykonanych z takich materiałów jak np. stal ocynkowana, może dochodzić do zanieczyszczeń produktami korozji, tzn. związkami żelaza i cynku. Obecność produktów korozji w instalacjach wewnętrznych nie tylko zmienia własności estetyczne wody, ale także wpływa niekorzystnie na warunki pracy instalacji, zwłaszcza ciepłej wody użytkowej. Zanieczyszczenia mechaniczne gromadzić się mogą w zasobnikach ciepła, przewodach cyrkulacyjnych wody ciepłej, czy w przewodach poziomych powodując poważne zakłócenia w pracy instalacji.
1.2. Żelazo i mangan
Wysokie stężenia żelaza i manganu dotyczą głównie tych gospodarstw domowych, które czerpią wodę z indywidualnych ujęć podziemnych, takich jak np. kopane czy wiercone studnie przydomowe. Pierwiastki te rozpuszczone są w wodzie w postaci kilkudziesięciu różnych związków chemicznych, o zróżnicowanym stopniu wyodrębnienia ich z wody. Wysokie stężenie żelaza w wodzie dostarczanej do mieszkań, powoduje wzrost jej zabarwienia i mętności, a także pogarsza walory smakowe. Można więc powiedzieć, że żelazo niekorzystnie wpływa na właściwości organoleptyczne. Podobnie związki manganu pogarszają smak wody i wraz ze związkami żelaza mogą wytrącać się w formie osadów, które barwią np. bieliznę w czasie prania oraz powodują zarastanie przewodów wodociągowych. Na urządzeniach sanitarnych pojawiają się trudne do usunięcia rdzawe osady i plamy, zostawiane przez uwodnione mieszaniny tlenków powyższych pierwiastków.
1.3. Twardość wody
Twardość wody jest wywołana obecnością jonów niektórych metali, głównie wapna i magnezu, w mniejszym stopniu żelaza, baru i magnezu. Stopień twardości wody określa się na podstawie ilości CaCO3 w miligramach na litr.
KLASYFIKACJA STOPNI TWARDOŚCI WODY
- woda miękka: poniżej 100 mg CaCO3 /l
- woda twarda : 100-300 mg CaCO3 /l
- woda bardzo twarda: 300-500 mg CaCO3 /l
Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dn. 4 września 2000r., twardość ogólna wody do picia powinna zawierać się w zakresie od 60 do 500 mg CaCO3 /l. Woda powyżej 500 mg CaCO3 /l nie powinna być używana do picia ani do celów gospodarczych.
Obecność twardej wody w instalacjach powoduje odkładanie się kamienia na różnych elementach instalacji czy też urządzeniach wykorzystujących wodę w trakcie eksploatacji. Dotyczy to głównie urządzeń które podgrzewają wodę, powodując wytrącanie się twardych osadów. Osady te stanowią pewnego rodzaju izolatory, zmniejszając wydatnie przewodnictwo cieplne, a co za tym idzie zwiększają koszty użytkowania tychże urządzeń. Zwiększona twardość wody zmniejsza pienienie się mydła, powoduje wzrost zużycia środków piorących, bielizna po praniu jest bez połysku. Twarda woda może powodować też wysuszanie się skóry.
1.4. Bakterie, wirusy, kancerogeny
Zasadniczo woda pochodząca z sieci wodociągowej powinna być wolna od bakterii czy wirusów, gdyż jest poddawana procesowi dezynfekcji na stacji uzdatniania. Jednakże woda może ulec wtórnemu zanieczyszczeniu w sieci wodociągowej w wyniku wszelkich awarii, naprawy sieci, czy też przebić z równoległej sieci kanalizacyjnej. Wtedy chlor, nawet w nadmiarze użyty do dezynfekcji wody, ulega całkowitemu związaniu z substancjami organicznymi, do tego stopnia, że na jej końcówkach, np. w kranach domowych, jego zapach jest już niewyczuwalny. Może to prowadzić do obecności w wodzie kranowej niebezpiecznych trójhalometanów. Sposób zaprojektowania i wykonania instalacji wewnętrznych ma także zasadniczy wpływ na zabezpieczenie wody przed wtórnym zanieczyszczeniem mikrobiologicznym. Jeżeli chodzi o zagrożenie substancjami rakotwórczymi, to polskie normy są dużo mniej restrykcyjne, w porównaniu z ochroną konsumenta w Unii Europejskiej. W nowelizowanej obecnie dyrektywie europejskiej ustalane są normy na 11 kancerogenów, które mogą występować w wodzie z kranu również w Polsce, ale u nas 6 z nich nie jest normowanych wcale, a więc polska woda z kranu nie jest badana przez służby kontrolne na obecność co najmniej sześciu substancji rakotwórczych, uznanych w Europie za zagrażające zdrowiu odbiorców. Przykładem takiego związku jest chlorek winylu. Osoby, które korzystają z tych rur wodociągowych z PCV, które nie były poddane procesom wystarczającym do usunięcia monomeru chlorku winylu, mogą przyjmować z wodą z kranu od 0,06 do 2,8 mcg chlorku winylu dziennie, podczas gdy dopuszczalne dzienne spożycie jest równe zeru.

2. Procesy i urządzenia do usuwania zanieczyszczeń wody
2.1. Filtry mechaniczne
Zatrzymują one muł, piasek, blaszki rdzy i włókna. Wielkość wyłapywanych zanieczyszczeń zależy od rodzaju zastosowanego materiału filtracyjnego. Wkłady mechaniczne włókninowe wychwytują cząstki powyżej 5 mikronów, celulozowe – powyżej 1 mikrona, a ceramiczne – powyżej 0,1 mikrona Najlepsze obecnie filtry wykonywane są techniką melt-blown, która polega na rozdmuchu polipropylenu w strumieniu gorącego powietrza. Filtry wykonane tą metodą charakteryzują się skutecznością równą nawet 99,98%, przy czym do użytku domowego, ze względów ekonomicznych, wystarczające są filtry o skuteczności 95%. Wkłady mechaniczne zabezpieczają urządzenia przed uszkodzeniami i zamuleniem, ale same nie uzdatniają wody. Dlatego też stosowane są one najczęściej w układach z innymi urządzeniami uzdatniającymi wodę, przy czym filtry mechaniczne w takim ciągu instalowane są na samym początku zespołu urządzeń.
2.2. Filtry węglowe
Wykorzystano w nich zjawisko sorpcji (pochłaniania) zanieczyszczeń przez węgiel aktywny. Filtry te obniżają zawartość chloru i jego związków, bakterii, a niektóre także pestycydów, detergentów, fenoli oraz metali ciężkich. Poprawiają kolor i smak wody. Wkład może zawierać węgiel w czystej postaci lub węgiel pokryty srebrem. Dobry filtr węglowy musi być wykonany z węgla aktywnego o prawidłowej granulacji i musi zapewniać odpowiedni czas kontaktu zanieczyszczeń z powierzchnią węgla. Niedopuszczalne jest także wydostawanie się cząstek węgla na zewnątrz. Są też wkłady z mieszanką węgla z innymi substancjami, np. żywicą jonowymienną, która zmiękcza wodę, lub stabilizatorem KDF, który – podobnie jak srebro – chroni przed rozwojem bakterii wewnątrz wkładu. Ciekawym rozwiązaniem jest System BIOfiltracji Wody Ecomaster, składający się z jednolitego bloku węglowego, poprzedzonego żywicą PentaPure i filtrem do usuwania mechanicznych zanieczyszczeń. Żywica PentaPure służy do mikrobiologicznego oczyszczania wody. Jednolity Blok Węglowy to bardzo efektywny środek filtrujący. Niezwykła wydajność absorbcji Jednolitego Bloku Węgla aktywnego pozwala mu na redukcję skondensowanych chemikalii, substancji rakotwór-
czych, ołowiu, herbicydów, pestycydów i rozpuszczalników przemysłowych. Węgiel usuwa także chlor i inne związki powodujące zły smak i zapach wody. Blok węgla złożony jest z milionów sprasowanych cząstek węgla aktywnego. Uzyskane są w ten sposób 0,2 mikronowe kanały w bloku węgla aktywnego.
2.3. Filtry odwróconej osmozy.
Osmoza jest procesem naturalnym, występującym zawsze, gdy rozcieńczony roztwór jest oddzielony od roztworu stężonego przez membranę półprzepuszczalną. Woda, „napędzana” przez siłę wywołaną różnicą stężeń – ciśnieniem osmotycznym – przechodzi przez membranę z roztworu rozcieńczonego do roztworu stężonego. Przepływ wody trwa aż do takiego rozcieńczenia roztworu stężonego, że ciśnienie wsteczne zatrzyma dalszy przepływ przez membranę (równowaga osmotyczna).
Jeśli ciśnienie większe niż ciśnienie osmotyczne zostanie przyłożone po stronie membrany o większym stężeniu, normalny przepływ osmotyczny zostanie odwrócony - woda przechodzi przez membranę z roztworu stężonego i jest w ten sposób pozbawiana zawartych w niej zanieczyszczeń. Jest to podstawowa zasada odwróconej osmozy, zwanej również hyperfiltracją. Wkłady działające metodą odwróconej osmozy muszą być poprzedzone wkładami mechanicznymi i węglowymi. W praktyce, woda jest pompowana do ciśnieniowego zbiornika zawierającego spiralę lub zespół wydrążonych włókien wykonanych z membrany pół-przepuszczalnej. Woda oczyszczona przechodzi przez membranę tworząc "przesącz". Zanieczyszczenie pozostają w pozostałej wodzie - zwanej "koncentratem" - który jest odprowadzana w sposób ciągły do kanalizacji. System filtracyjny do oczyszczania wody wodociągowej, oparty o technologię odwróconej osmozy, dostarcza wodę pozbawioną praktycznie wszystkich zawartych w niej zanieczyszczeń, a woda po takim układzie cechuje się:
• usunięciem ok.95-98% rozpuszczonych związków nieorganicznych
• usunięciem >99% związków organicznych
• usunięciem >99% cząstek stałych i koloidalnych, w tym także bakterii i innych mikroorganizmów.
Woda filtrowana tą metodą jest pozbawiona zarówno zanieczyszczeń , ale także i minerałów. Dlatego sposób ten ma wielu przeciwników – twierdzą oni, że woda bez potrzebnych człowiekowi minerałów jest bezwartościowa.
2.4. Odżelazianie
Używa się ich wtedy, gdy stężenie żelaza i manganu jest zbyt wysokie – woda jest mętna, ma zmienioną barwę. Na urządzeniach pojawia się wtedy rudawy osad. Wkład odżelaziający jest najczęściej stosowany razem z innymi wkładami (np. mechanicznym, węglowym, zmiękczającym). Usuwanie z wody żelaza i manganu sprowadza się do zamiany ich rozpuszczalnych związków w formy trudno rozpuszczalne. Można to osiągnąć dwoma sposobami. Pierwsza metoda polega na wymianie jonowej, druga, bardziej powszechna, polega na wstępnym utlenieniu związków żelaza, a co za tym idzie sprowadzenie ich do form trudno rozpuszczalnych. Utlenianie jest uzyskiwane poprzez dozowanie do wody związków chemicznych o zdolnościach katalicznych, albo poprzez zwykłe doprowadzenie tlenu z powietrza (takie układy są bardziej popularne ze względu na niskie koszty eksploatacji. Proces usuwania żelaza składa się z trzech etapów: napowietrzania (za pomocą inżektora lub sprężarki), korekty odczynu, oraz końcowej filtracji na odpowiednim złożu. Jeśli żelazo i mangan występują w wodzie w znacznych ilościach (dotyczy to głównie indywidualnych ujęć podziemnych jak studnie) należy przeprowadzić dwustopniowy proces filtrowania, z zastosowaniem jako pierwszego filtra odżelaziającego. Współczesne odżelaziacze, podobnie jak zmiękczacze, są bezobsługowe, sterowane specjalnymi głowicami. Proponowane są dwa tryby pracy: objętościowy i czasowy. W objętościowym trybie pracy głowice same obliczają parametry na podstawie bieżących danych zużycia wody i automatycznie włączają regenerację we właściwym momencie. Sterowanie czasowe uruchamia proces regeneracji złoża wypełniającego po upływie określonego czasu wyliczonego przez autoryzowany serwis na podstawie poboru i jakości wody. Producenci oferują także systemy z orurowaniem i zespołem zaworów do manualnego sterowania procesem regeneracji, jednakże ze względu na czasochłonnośc tych operacji rozwiązanie to nie jest zbyt popularne. Poza tym sterowanie automatyczne pozwala na znaczne oszczędności wody przewidzianej do płukania.
2.5. Zmiękczacze
Zmiękczanie wody polega na usunięciu twardości, poprzez zamianę jonów magnezowych i wapniowych odpowiedzialnych za twardość, na jony sodu. Proces ten zachodzi w wymiennikach jonowych, podczas kontaktu uzdatnianej wody z masą jonowymienną. Złoże jonowymienne to najczęściej żywice wykazujące się wysoką odpornością fizyczną, chemiczną i cieplną. Złoża te charakteryzują się dobrą kinetyką wymiany jonowej. Twardość jest usuwana na kationicie silnie kwaśnym w procesie wymiany sodowej. Jony wapnia i magnezu są zastępowane jonami sodu. Usuwane są także jony żelaza i manganu. Po procesie zmiękczania uzdatniona woda ma twardość ogólną poniżej 0,03mval//dm3. Woda zmiękczona aż do tego stopnia jest niesmaczna, dlatego w przypadku zmiękczania wody spożywczej należy stosować mieszacz wody, który umożliwi mieszanie wody zmiękczonej i surowej, zapewniając podawanie wody o dowolnej twardości. Podobnie jak w przypadku odżelaziaczy dostępne jest sterowanie automatyczne w trybie objętościowym lub czasowym.
2.6. Filtry dezynfekujące
Filtry takie są wyposażone w lampę emitującą promienie ultrafioletowe, które działają bakteriobójczo na mikroorganizmy chorobotwórcze znajdujące się w wodzie. Filtry z takimi wkładami podłącza się do prądu i stosuje się razem z mechaniczno-węglowymi. Skuteczność usuwani a zanieczyszczeń zależy od ilości zanieczyszczeń w wodzie i rodzaju zastosowanego wkładu. Promieniowanie nie powoduje skutków ubocznych dla człowieka.
3. Sposoby instalacji
• Filtry stojące – zwykle małe, stawia się na zlewie albo mocuje na ścianie przy baterii i podłącza do baterii lub do rury doprowadzającej wodę. Filtry te mają osobną wylewkę, przez którą wypływa przefiltrowana woda, a wodę niefiltrowaną pobiera się przez wylewkę baterii. Szybkość filtrowania zależy od modelu urządzenia i wynosi od 1,4 do 9,5 litra na minutę. Najczęściej stosuje się do nich wkłady mechaniczno-węglowe. Niektóre filtry mają lampy dezynfekcyjne.
• Filtry montowane na baterii - zamontowane w sposób stały na końcówce wylewki lub pomiędzy korpusem baterii a wylewką. Mają przełącznik pozwalający pobierać również wodę niefiltrowaną. W zależności od modelu mogą filtrować od 0,5 do 2,8 litra wody na minutę. Zwykle używa się do nich wkładów mechaniczno-węglowych,.
• Filtry montowane pod zlewozmywakiem - podłączone do rury doprowadzającej wodę. Mają osobną wylewkę i kurek, można więc również korzystać z wody niefiltrowanej. Najczęściej stosuje się w nich trzystopniowy system oczyszczania wody: mechaniczny, węglowy oraz np. zmiękczający lub wykorzystujący proces odwróconej osmozy. Wszystkie filtry z wkładami z odwróconą osmozą muszą być podłączone do odpływu, aby można było odprowadzić zatrzymane zanieczyszczenia . Większość filtrów z odwróconą osmozą ma 10- albo 12-litrowy zbiornik na przefiltrowaną wodę. Filtry montowane pod zlewem dokładnie oczyszczają wodę; szybkość filtrowania wynosi od 20 do 190 litrów na dobę (filtry ze zbiornikiem) lub od 1,2 do 9 litrów na minutę (bez zbiornika).
• Filtry montowane na rurze - instalowane na rurze z zimną lub ciepłą wodą, na samym początku, tuż za wodomierzem. Do obudowy (kloszowej) dobiera się jeden wkład o odpowiednim rozmiarze i przeznaczeniu. Niekorzystne jest instalowanie w ten sposób więcej filtrów niż dwa, gdyż powoduje to obniżenie ciśnienia w rurach. Szybkość filtrowania zależy od modelu filtra i od rodzaju wkładów – np. 5 litrów na minutę, jeśli użyjemy wkładu zmiękczającego lub odżelaziającego; 25–58 litrów na minutę – gdy zastosujemy tylko wkład mechaniczny.
• Filtry montowane przy urządzeniach - instalowane przy kranach doprowadzających wodę do pralek i zmywarek. Dzięki takim filtrom urządzenia lepiej działają, są tańsze w eksploatacji (mniejsze zużycie np. środków piorących po zmiękczaniu) i nie zużywają się tak szybko.