Ivóvíztisztítás Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék Laky Dóra

MAGYARORSZÁG - VÍZBÁZISOK A vízkivétel jelentős része felszín alatti vízbázisból történik (94,1 %), ezen belül is a mélységi vizek (42,3 %) és a parti szűrésű vízbázisok (42 %) a legjelentősebbek. A karsztvíz 11,9 %-al részesedik, míg a talajvíz aránya mindössze 2,9 %.

PARTISZŰRÉSŰ VÍZ Egyes vízfolyások adott szakaszain kialakuló kavicsteraszokon összegyűlt, rövid idő alatt megújuló felszínalatti víz, melynek forrása elsősorban a folyó, de részben a folyó felé áramló felszín-közeli víz. Tekintettel arra, hogy a partiszűrésű víz döntő többsége a folyóból a viszonylag jó vízvezető tulajdonsá- gokkal rendelkező parti rétegen átszűrődve jut el a víznyerő helyre, egyes vélemények szerint ez felszíni víz. Magyarországon a partiszűrésű vizet a felszínalatti vizek közé soroljuk.

Amikor a folyó vízállása alacsony, a felszín alatti vízből származó vízhozam jelentős lehet.

Felszín alatti vizek szennyezőanyagai Természetes eredetű: komponens negatív hatás vas (Fe2+) és mangán (Mn2+) zavarosság, szín, szag, kellemetlen íz lerakódást okoz a vezetékekben arzén (As3+) (mélységi vizekben) rákkeltő Agresszív CO2 (mélys.vizekben) csővezetékek korróziója metán (CH4) gáz (mélys. vizekben) robbanásveszély

Felszín alatti vizek szennyezőanyagai Természetes eredetű: komponens negatív hatás vas (Fe2+) és mangán (Mn2+) zavarosság, szín, szag, kellemetlen íz lerakódást okoz a vezetékekben arzén (As3+) (mélységi vizekben) rákkeltő Agresszív CO2 (mélys.vizekben) csővezetékek korróziója metán (CH4) gáz (mélys. vizekben) robbanásveszély

Felszín alatti vizek szennyezőanyagai Természetes eredetű (folyt.): komponens negatív hatás Ammónium (NH4+) fertőtlenítés hatékonyságának csökkent. átalakulhat: NO3- vagy NO2- Nitrát (NO3-) és Nitrit (NO2-) (talajvízben) a vér oxigénfelvételét a nitrit akadályozza (NO2-) Oldott O2 hiánya, H2S (mélységi víz) kellemetlen szag Szerves anyag káros melléktermékek képződése a fertőtlenítés alkalmával a vezetékekben biofilm képződése

Felszín alatti vizek szennyezőanyagai Természetes eredetű (folyt.): komponens negatív hatás Keménység (Ca2+, Mg2+) lerakódások magas sótaratalom, magas hőmérséklet (mélységi vizek)

Felszín alatti vizek szennyezőanyagai Emberi eredetű (talajvízben, karsztvízben, parti szűrésű vízben): komponens Negatív hatás Ammónium (NH4+) fertőtlenítés hatékonyságának csökkent. átalakulhat: NO3- vagy NO2- Nitrát (NO3-) és Nitrit (NO2-) a vér oxigénfelvételét a nitrit akadályozza (NO2-) Patogén és egyéb mikroorganizmusok a patogén mikroorganizmusok járványt okoznak Szerves és szervetlen mikroszennyezők toxikusak

Felszíni vizekben található szennyezők Természetes eredetű: komponens Negatív hatás zavarosság Humin, lignin, fulvin anyagok (szerves a.) szín, szag, íz problémák káros melléktermékek keletkezése Ammónium (NH4+) (hideg víz, O2 hiány) fertőtlenítés hatékonyságának csökkentése

Inorganic fertilizer runoff (nitrates and phosphates)

Felszíni vizekben található szennyezők Emberi eredetű: komponens Negatív hatás Szerves szennyezők káros melléktermékek keletkezése Patogén, és egyéb mikroorganizmusok patogének  járványok Olaj toxikus Szerves és szervetlen mikroszennyezők Ammónium (NH4+) fertőtlenítés hatékonyságának csökkentése

IVÓVÍZZEL SZEMBENI ELVÁRÁSOK színtelen szagtalan kellemes ízű hőmérséklete: 8 – 12 °C ne tartalmazzon kórokozó mikroorganizmusokat mérgező anyagokat lebegőanyagot, vagy egyéb zavarosságot okozó anyagot kellemetlen szagot vagy ízt okozó anyagot ne legyen nagy a sótartalma ne legyen nagy a szerves anyag tartalma

KÖVETELMÉNYEK (Szabványok) Szabályozás ajánlás szabvány Kiterjedés szerint globális (világméretű) WHO Guidelines (Az Egézségügyi Világszervezet ajánlásai) regionális EU Direktívák (Szabvány) országos szabványok Az ivóvíz minőségére vonatkozó szabványok az egyes komponensek maximálisan megengedhető koncentrációit (MAC érték) határozzák meg. Az adott határértékek rendszeresen felülvizsgálatra kerülnek és a legújabb kutatási eredmények alapján sor kerül változtatásukra (általában szigorításukra)

Mi a teendő, ha az adott víz nem felel meg a szabványokban foglalt követelményeknek? Másik vízbázisból nyerni a vizet Regionális rendszer kiépítése Vízkezelési technológiát kell alkalmazni, és az adott komponensek koncentrációját a szabványban megadott szint alá kell csökkenteni

A nem-kívánatos komponensek eltávolítására vonatkozó fontossági sorrend Kórokozó mikroorganizmusok Mérgező anyagok Mikroszennyezők Zavarosságot okozó anyagok (lebegőanyag, alga) Prekurzorok (elővegyületek) Íz- és szagrontó anyagok

Szempontok a technológia kialakításához problémás komponensek vízmennyiség (gazdaságossági szempontok) a hálózat kiterjedtsége (mennyi idő után jut el a víz a legtávolabbi fogyasztóhoz?)

Technológiai alapfolyamatok Oxidáció és redukció pH és pufferkapacitás szabályozás Kémiai kicsapás (oldott  szilárd) Adszorpció Fázisszétválasztás (gáz-folyadék, szilárd-folyadék) Egyéb eljárások (membránfolyamatok) A víz- és szennyvíztisztítási technológiák a fenti alapfolyamatok célszerű kombinációival alakíthatók ki.

Technológiai alapfolyamatok Oxidáció és redukció pH és pufferkapacitás szabályozás Kémiai kicsapás (oldott  szilárd) Adszorpció Fázisszétválasztás (gáz-folyadék, szilárd-folyadék) Egyéb eljárások (membránfolyamatok)

Oxidáció és redukció Két párhuzamos, egyidejűleg lejátszódó folyamat Az oxidálószer redukálódik, miközben a redukálószer oxidálódik Ivóvíztisztításban az oxidáció célja: Valamely szennyezőt oldhatatlanná alakítsunk A szennyező kevésbé toxikus formává alakítása Mikroorganizmusok inaktiválása (fertőtlenítés) Oxidáció hatására a technológia során könnyebben eltávolíthatóvá válik (pl. As(III)  As(V)) Ivóvíztisztításban használt oxidálószerek: oxigén, ózon, klór, kálium-permanganát, klór-dioxid, klóraminok, …

A fertőtlenítés célja: kórokozó mikroorganizmusok inaktiválása, az ivóvízhálózatban a megfelelő vízminőség biztosítása A nyersvízben előforduló három mikroorganizmus csoport: Baktériumok Vírusok Protozoák A fertőtlenítés általában oxidációval történik (kémiai úton történő fertőtlenítés) Jellemző fertőtlenítőszerek: klór (1970-es években káros fertőtlenítési melléktermékek felfedezése), ózon, klór-dioxid A fertőtlenítés fizikai úton is történhet, pl.: ultraibolya sugárzás felhasználásával (másodlagos fertőtlenítőszerre ilyenkor szükség van!) F E R T Ő L N Í É S

Baktériumok (0.35 - 35 um) Spiral-shaped bacterium Vibrio Cholerae Bacteria with a spherical form Rod-shaped bacteria

Vírusok (0.02 – 0.4 um) 1 um

Cryptosporidium parvum Protozoák A káros dózis nagyon alacsony: 10-100 Cryptosoridium ciszta 25-100 Giardia ciszta Cryptosporidium parvum 1993 – Milwaukee - járvány: több mint 400.000 ember betegedett meg az ivóvíz fogyasztása miatt Giardia lamblia

Vas és mangán eltávolítása  először oxidálni kell ezeket a komponenseket Miért kell eltávolítanunk a vasat és a mangánt? Zavarosság, szag, szín, kellemetlen íz Hálózatban problémákat okozhat a vasiszap lerakódása Hogyan tudjuk eltávolítani? 1. lépés: oxidáció Mn(II)  Mn(IV) Fe(II)  Fe(III) 2. lépés: szilárd/folyadék fázisszétválasztás

Technológiai alapfolyamatok Oxidáció és redukció pH és pufferkapacitás szabályozás Kémiai kicsapás (oldott  szilárd) Adszorpció Fázisszétválasztáa (gáz-folyadék, szilárd-folyadék) Egyéb eljárások (membránfolyamatok)

pH és pufferkapacitás szabályozás pH szabályozás szerepe számos ivóvíztisztítási lépés esetében jelentős (a hatékonyság változik a pH függvényében) Példák: fertőtlenítés, koaguláció-flokkuláció

A víz pufferkapacitása: HCO3- és CO32- ionok mennyisége befolyásolja, lényegében a víz sav- semlegesítő képességére utal CO2 + H2O  H2CO3  H+ + HCO3-  2H+ + CO32-

A víz pufferkapacitása (lúgossága) CO2 + H2O  H2CO3  H+ + HCO3-  2H+ + CO32- Ha savas hatás éri a vizet: H+ + HCO3-  H2CO3 Ha lúgos hatás éri a vizet: OH- + HCO3-  CO32- + H2O

Technológiai alapfolyamatok Oxidáció és redukció pH és pufferkapacitás szabályozás Kémiai kicsapás (oldott  szilárd) Adszorpció Fázisszétválasztáa (gáz-folyadék, szilárd-folyadék) Egyéb eljárások (membránfolyamatok)

Kémiai kicsapatás Mi a kémiai kicsapatás? A vízben oldódó anyagok oldhatatlan állapotúvá alakítása (vegyszer hozzáadása, pH változtatás hatására) Ezután az adott szennyezőanyag valamilyen szilárd/folyadék szétválasztási technológiával eltávolítható a vízből

1. példa a kémiai kicsapatásra: A víz keménységének csökkentése -- vízlágyítás

Víz keménység Ca2+ + H2O + CO2 + CO32- Ca2+ + 2HCO3- A kemény víz forralásakor a következő folyamat játszódik le: Ca2+ + H2O + CO2 + CO32- Ca2+ + 2HCO3- CaCO3 (csapadék)képződése

Vízlágyítás kémiai kicsapatással A következő vegyszerek adagolása: mész -- Ca(OH)2 szóda -- Na2CO3 Na3PO4 majd ezt követően: szilárd/folyadék fázisszétválasztás

2HCO3- + Ca(OH)2 Ca2+ + 2CO32- + 2H2O 2Ca2+ + 2CO32- 2CaCO3 Vízlágyítás mész ( Ca(OH)2) adagolásával 2HCO3- + Ca(OH)2 Ca2+ + 2CO32- + 2H2O 2Ca2+ + 2CO32- 2CaCO3 Mg2+ + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + Ca2+

2Ca2+ + Na2CO3 CaCO3 + Na+ 6Na2+ + 2PO43- + 3Ca2+ Ca3(PO4)2 + 6Na+ Vízlágyítás szóda (Na2CO3) adagolásával 2Ca2+ + Na2CO3 CaCO3 + Na+ Vízlágyítás Na3PO4 adagolásával 6Na2+ + 2PO43- + 3Ca2+ Ca3(PO4)2 + 6Na+

Meszes lágyítás mészhidrát Ca(OH)2 víz 1 2 4 5 3 1 – mésztelítő 2 – keverős reaktor 3 – lágyítandó nyersvíz 4 – ülepítő 5 – lágyított víz 6 – mésziszap 6

Mész-szódás lágyítás szóda Na2(CO)3 víz 2 1 6 7 8 4 5 3 9 mészhidrát Ca(OH)2 1 – szódatelítő 2 – szóda oldat 3 – mésztelítő 4 – meszes szuszpenzió 5 – lágyítandó víz 6 – keverős reaktor 7 – ülepítő 8 – lágyított víz 9 – mésziszap

2. példa a kémiai kicsapatásra: Koaguláció/flokkuláció

(a negatív felületi töltés miatt) A kolloid részecskék taszítják egymást (a negatív felületi töltés miatt) Szuszpendált kolloid részecske Al-hidroxid Fe-hidroxid komponensek Fe és Al sók a negatív felületi töltéseket semlegesítik KOAGULÁCIÓ A részecskék aggregálódásával egyre nagyobb pelyhek alakulnak ki FLOKKULÁCIÓ Kolloid részecskék aggregálódása

Technológiai alapfolyamatok Oxidáció és redukció pH és pufferkapacitás szabályozás Kémiai kicsapás (oldott  szilárd) Adszorpció Fázisszétválasztás (gáz-folyadék, szilárd-folyadék) Egyéb eljárások (membránfolyamatok)

ADSZORPCIÓ Gázok és oldott anyagok megkötődése szilárd anyagok felületén A vízkezelési technológiákban elsősorban az oldott anyagok, közöttük is a szerves anyagok fontosak Nagy szabad energiával rendelkező felületek képesek megkötni oldott anyagokat (fajlagos felület akár 1000-1200 m2/g is lehet) A gázok és az oldott anyagok szilárd felületen történő megkötő- dése, azaz adszorpciója reverzibilis, tehát megfordítható folyamat Adszorbens – ahol az oldott anyag megkötődik Adszorptívum – az az anyag, mely megkötődik az adszorbensen

Vízkezelésben alkalmazott adszorbensek: Zeolitok (ammónium eltávolítására) Ioncserélő műgyanták (vízlágyításra) Aktívszén (szervesanyag eltávolítására) GEH (arzén eltávolítására) Az ivóvízkezelésben esetenként a zeolitok alkalmazására is sor kerül, de elsősorban az aktívszén alkalmazása vált általánossá Az aktívszén a vízkezelésben alapvetően a következő két formában használatos: Por alakban Granulátumként

Adszorpció aktívszénen

R - Na R + Ca2+ Ca + 2Na+ R - Na R R - H R + Ca2+ Ca + 2H+ R - H R Vízlágyítás ioncserével R - Na R + Ca2+ Ca + 2Na+ R - Na R R - H R + Ca2+ Ca + 2H+ R - H R R - OH + HCO3- R - HCO3 + OH- Regenerálás NaCl vagy HCl oldattal!

Vízlágyítás Na-bázisú gyantával nyersvíz tisztított víz Gyanta Regene- ráló- szer Só táro- lása Ca2+ + 2 Na˙Ex Ca˙Ex2 + 2Na+ Mg˙Ex2 + 2Na+ Mg2+ + 2 Na˙Ex

nyersvíz tisztított víz Ca2+ + 2 Na˙Ex Ca˙Ex2 + 2Na+ Mg˙Ex2 + 2Na+ Mg2+ + 2 Na˙Ex nyersvíz Na- bázisú ioncserélő gyanta tisztított víz

Technológiai alapfolyamatok Oxidáció és redukció pH és pufferkapacitás szabályozás Kémiai kicsapás (oldott  szilárd) Adszorpció Fázisszétválasztás (gáz-folyadék, szilárd-folyadék) Egyéb eljárások (membránfolyamatok)

Gáz / folyadék fázisszétválasztás gázok (metán, agresszív szén-dioxid) eltávolítása a leggyakrabban alkalmazott eljárás: levegőztetés

A levegőztetés alkalmával a víz oxigénnel telítődik Két folyamat játszódik le egyidejűleg: a gázok elhagyják a vízteret a redukált állapotú komponensek egy része oxidálódik a levegő oxigénjének hatására

Gázmentesítő

Gáz eltávolítása levegőztetéssel

Gáz eltávolítása levegőztetéssel

Kaszkádos levegőztetés

Szilárd/folyadék fázisszétválasztás Szilárd anyagok eltávolítása: durva és finom részecskék eltávolítása gerebszűrés Durva fázisszétválasztás: makroszita szűrés mikroszita szűrés homokfogó ülepítés flotálás

Finom fázisszétválasztás: gyorsszűrés Szűrés előtt a kolloid, kvázi-kolloid részecskéket szűrhető formára kell hozni (pl. kémiai kicsapatással)

MIKROSZITA SZŰRÉS

MIKROSZITA SZŰRÉS

F L O T Á S Flotált iszap iszap eltávolítása bemenet kimenet kezelendő víz kimenet Iszap eltávolítás Iszap gyűjtő csatorna Kezelt víz Flokkulátor

HOMOKFOGÓ KIMENET BEMENET Iszap összegyűjtése Iszap-kotró

Ü L E P Í T É S Iszap össze- gyűjtése Iszap-kotró bevezetés

Szűrés nyitott szűrők zárt szűrők

Nyitott szűrők

Technológiai alapfolyamatok Oxidáció és redukció pH és pufferkapacitás szabályozás Kémiai kicsapás (oldott  szilárd) Adszorpció Fázisszétválasztás (gáz-folyadék, szilárd-folyadék) Egyéb eljárások (membránfolyamatok, UV fertőtlenítés)

Membránszűrés  a szennyezőanyag elválasztása Membrán technológiák Mikroszűrés Ultraszűrés Nanoszűrés Fordított ozmózis Elektrodialízis Membránszűrés  a szennyezőanyag elválasztása permeátum (a membránon keresztüljutott víz) Szennyező (magas koncentrációban)

Fordított ozmózis Ozmózis: A membrán-réteg a víz számára átjárható, azonban a szennyezőanyag számára nem. Mivel a két tartályban a koncentráció-kiegyenlítődés irányában mennek a folyamatok  a víz a B tartályból az A tartályba áramlik, amíg a nyomásviszonyok azt megengedik

Fordított ozmózis Fordított ozmózis: az ozmózissal ellentétes folyamat: nyomás hatására a folyadék az A tartályból a B-be áramlik; a szűrt víz (permeátum) a B tartályból összegyűjthető

Spirál-membránok

Source: The Management and implementation Authority of the Man-Made River Project, 1994

U V F E R T Ő L N Í É S

Vas, mangán és oldott gázok eltávolítása (felszín alatti víz kezelési séma)

Nyomás alatti (zárt) levegőztetés Fe oxidáció Fe eltávolítás tározó Levegő injektálás Tisztított víz medence klórozás Fe oxidáció Fe eltávolítás tározó Nyomás alatti (zárt) levegőztetés Csökkentett átmérő víz Oxigén injektálás

gázmentesítés Fe eltávolítás tározás Fe oxidáció

Szűrő mangán eltávolítására Fe eltávolítás Fe oxidáció Mn oxidáció Mn eltávolítás tározás Szűrő mangán eltávolítására Bedolgozott szűrőréteg (MnCl2 és KMnO4 oldattal kezelt szűrő  MnO2 réteg katalizálja a mangán oxidációját a levegő oxigénje által)

Tisztítástechnológia magas vastartalom (Fe > 5 mg/L) és nagy vízhozam esetén (nyitott szűrők) Fe oxidáció tározás gázmentesítés Fe eltávolítás

Felszíni víz tisztítástechnológiája klórozás Cl2 Cl2 PAC gyors keverés koagu- láció gyors keverés flokkuláció gyors keverés flokkulátor Homok-fogó lassú keverés NYERSVÍZ Ülepítő Cl2 Cl2 Tísztított víz medence GAC Ózonozó Gyorsszűrő HÁLÓZATRA PAC: por alakban adagolt aktív szén GAC: granulált aktív szén