Kommunális technológiák I. 5. előadás PTE PMMK Környezetmérnöki Szak Kommunális technológiák I. 5. előadás Vízlágyítás, aktívszén szűrés fertőtlenítés, utóklórozás, ammónia-mentesítés, membrán eljárások, szerves mikro szennyezők eltávolítása Dittrich Ernő egyetemi adjunktus PTE-PMMK Környezetmérnöki Tanszék Pécs, Boszorkány u. 2. B ép. 003. dittrich@witch.pmmf.hu

A víz keménysége Ca- és Mg-sók okozzák → Összes keménység Hőmérséklet vagy pH növekedés hatására a vízkő növekvő mennyiségben válik ki. Karbonát- (változó-) keménység: a kalcium és magnézium ionok azon mennyisége amely a vízben lévő karbonátok és hidrogén karbonátok mennyiségével egyenértékű. Okozó vegyületei: Ca(HCO3)2 és Mg(HCO3)2.. Forralás hatására szilárd csapadékot képeznek Nem karbonát- (állandó-) keménység: Okozó vegyületei: CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2 . Ezek forralással nem távolíthatóak el a vízből. Összes keménység = karbonát keménység + nem karbonát keménység A víz keménységét német keménységi fokban adjuk meg [nk°]: 1 nk°: 10 mg CaO-val egyenértékű keménységet okozó iont tartalmaz 1 l víz.

Vízlágyítás – alapfogalmak, alapelvek Cél: a víz keménységének csökkentése Módszer: Mg- és Ca-ionok eltávolítása Részleges vízlágyítás: csak a karbonát keménységet szüntetjük meg Teljes vízlágyítás: összes keménységet távolítjuk el a vízből Eljárások fajtái: Csapadékképzéssel járó eljárások Termikus Vegyi Ioncsere

Termikus lágyítás A víz forralása közben eltávozik a vízből a kalcium- és magnézium-hidrogén-karbonát oldatban tartásához szükséges CO2, így kiválik a kalcium-karbonát és a magnézium-hidroxid: A kivált csapadékot időszakosan el kell távolítani. Korszerűtlen (és költséges) eljárás, ma már nem alkalmazzuk!

Vegyi úton történő lágyítás Alapelv: vegyszerek hozzáadásával a kalcium és magnézium vegyületeket vízben kismértékben oldható csapadékká alakítjuk, majd a keletkezett iszapot eltávolítjuk A keménységet okozó vegyületek teljes mértékben nem távolíthatók el a vízből. Főbb eljárások: Meszes karbonát-mentesítés Mész-szódás lágyítás Nátrium-hidroxid szódás lágyítás Trinátrium-foszfátos lágyítás

Vízlágyítás ioncserével I. Alapelv: Az ioncsere során a Ca- és Mg-ionokat keménységet nem okozó ionokra cseréljük. Na-ion tartalmú erősen savas kation cserélő gyantákat alkalmazunk A lágyítás során végbemenő folyamatok: A lágyított víz sótartalma nem csökken, sőt kismértékben nő (pl. 1 mg magnézium-kloridból 1.23 mg nátrium-klorid képződik)

Vízlágyítás ioncserével II. A kimerült ioncserélő gyantát regenerálni kell. A regeneráláshoz leggyakrabban NaCl oldatot használunk. Ekkor a gyantán kötött Ca- és Mg-ionok Na-ionokra cserélődnek: A három vegyértékű fémsókat is megköti a gyanta, de azt a regeneráláskor nem lehet eltávolítani. Ezért célszerű vas- és mangántalanítást végezni az ioncsere előtt. Javasolt max. háromvegyértékű fémion koncentráció 0,3 mg/l. Regeneráló hulladékvíz probléma: élővízi befogadói határérték össz oldott sóra 1000 mg/l !!!

Vízlágyítás ioncserével III. Kezelendő víz szűrési sebessége: 10 – 80 m/h Regeneráláskor a gyantaoszlopon a sóoldat átfolyási sebessége: 2-4 m/h

Aktívszén szűrés (adszorpció) I. Kémiai adszorpció (kemoszorpció): felületen történő megkötődés kémiai kötés útján jön létre. Általában irreverzibilis folyamat. Fizikai adszorpció: van der Waals erők biztosítják a felületi kötődést. Reverzibilis folyamat. Az aktívszén szűrés is fizikai adszorpciós eljárás. Az adszorpció a hőmérséklettől és az adszorbeátum koncentrációjától függ. Adott hőmérsékleten a Langmuir-izoterma segítségével jellemezhető a folyamat:

Aktívszén szűrés (adszorpció) II. Aktívszén jellemzői: Szerves anyagokból 1000 °C-on levegő kizárásával izzítással készítik Fajlagos felülete: 600-1500 m2/gramm Sokszínű pórusrendszerrel rendelkezik: A mikropórusok átmérője 10-8 cm → molekuláris szintű eltávolításra alkalmas Az átmeneti pórusok átmérője 10-6 cm → makromolekulák eltávolítására alkalmas A makro-pórusok átmérője 10-4 cm → kolloidok eltávolítására alkalmas

Aktívszén szűrés (adszorpció) III. Víz és szennyvíztisztításban használják por és granulátum formában. Por alkalmazása esetén az előnedvesített port keverik a tisztítandó vízhez (ritkán alk.) Szűrés (GAC) esetén a szűrők kialakítása a homokszűrőkéhez hasonló. Aktívszén granulátum a szűrőtöltet. Átlagos szemcseátmérő 1-4 mm. Szűrési sebesség: 10-14 m/h. Ha az aktívszén elveszti megkötő képességét, regenerálni kell → reaktiválás A reaktiválás kémiai és hőkezelést jelent mely 10-15% veszteséggel jár. Az aktívszén szűrés a technológia végére telepítendő. Mivel nem kerülhető el baktériumok megtelepedése a szűrőfelületen, ezért utána mindig fertőtleníteni kell!

Aktívszén szűrés (adszorpció) IV. Egyre gyakoribb a BAC (biológiai aktívszén szűrés) eljárás. Itt ózonnal oxidálják a vizet az aktívszén szűrő előtt. Ezzel feltördelik a biológiailag nehezen bontható szerves anyagokat és oxigénnel dúsítják. Az aktívszén tölteten a megfelelő oxigénszint és szerves anyag rendelkezésére állása miatt elszaporodnak a baktériumok. Ritkábbak kell reaktiválni a töltetet, mert az adszorbeálódott anyagok egy részét a mikroorganizmusok „feleszik”. Kettős aktívszén szűrés: Erősen ingadozó nyersvíz minőség esetén használják. Az aktívszén szűrő előtt aktívszén port adagolnak a nyersvízhez.

Aktívszén szűrés V. Alkalmazási területek: Törésponti klórozással történő ammónia mentesítés deklórozási lépcsője Víz utótisztítása: Íz és szagkeltő vegyületek Mikro-szennyezők Szerves anyagok THM, AOX, egyéb klórszármazékok

Fertőtlenítés Fertőtlenítés célja: baktériumok elölése, vírusok inaktiválása Általában a tisztítási technológia legvégén helyezkedik el a fertőtlenítés, melynek okai: Az egyéb oxidálószer hatását csökkentő redukáló anyagok jó része már le van választva a vízből Az egyes technológiai elemek sorén további mikroszervezetek kerülhetnek a vízbe Fertőtlenítés történhet: Klórral (Cl2) Natrium-Hipoklorittal (NaOCl) Klórdioxiddal (ClO2) Ózonnal (O3) UV-vel (Kálium-permanganáttal (KMnO4)) (Ezüst-ionokkal) (Forralással)

Fertőtlenítés klórral I. A klór-gáz vízben oldódik és disszociál az alábbi egyenletek szerint. A disszociáció mértéke függ a pH-tól és a hőmérséklettől. Az OCl- (hipoklorit-ion), HOCl (hipoklóros sav), és a Cl2-gáz baktericid hatásúak. A HOCl jobb hatásfokú fertőtlenítő szer. Cél a pH semleges vagy savas pH-n tartása, mert akkor képződik a legnagyobb mennyiségben HOCl. A fertőtlenítési hatásfok a reagenssel való kontaktidővel, illetve a reagens dózis növelésével nő.

Fertőtlenítés klórral II. Maradék aktív klór – adagolt klór közötti kapcsolat: 1-es görbe: nincsenek a vízben redukáló vegyületek: maradék és aktív klór értéka azonos 2-es görbe: nitrogén vegyületek nélküli redukáló vegyületek vannak jelen a vízben: maradék klór kevesebb mint az adagolt klór

Fertőtlenítés klórral III.

Fertőtlenítés klórral IV.

Fertőtlenítés nátrium-hipoklorittal Klóros oxidációval történő fertőtlenítés, vízhez adagolva hipoklóros sav keletkezik Kis vízműveknél nem gazdaságos a klórgáz alkalmazása A hipó aktív klórtartalma a tárolási idő alatt csökken

Klórozási melléktermékek Fertőtlenítési melléktermékek: karcinogén, rákkeltő anagok Trihalometánok (THM) Haloecetsavak (HAA) Haloacetonitrilek (HAN) Haloketonok (HK) Klórpikrin Klórhidrát Cianogén-klorid Keletkezésük: huminanyagok, fulvinanyagok és aminosavak klórral történő reakciójakor képződnek Fertőtlenítési melléktermékek II: szagot okozó anyagok Klór-fenol Keletkezésük: szerves anyagok, fenol származékok klórral történő reakciójakor

THM-prekurzorok eltávolítási lehetőségei Koaguláció: 20-50% GAC-szűrés: 20% (kb. 6 hónapig) Ózonos oxidáció UV sugárzással kobinálva Reverz ozmózis 90-100%

Klór-dioxid (ClO2) Kb. 30%-al gyengébb oxidáló szer mint a Cl2-gáz Nem képez THM vegyületeket Nem lép reakcióba ammóniával Ezért általában nagy ammónium vagy nagy szervesanyag tartalmú vizek fertőtlenítésére alkalmazzák Uszodákban kiegészítő fertőtlenítő szerként adagolják Azonban keletkezhet klorit (ClO2-)és klorát (ClO3-). A klorit mérgező anyag, a WHO által javasolt határértéke ivóvízben 0,2 mg/l. A WHO ajánlás betartása esetén a maximális Klór-dioxid dózis 0,8 mg/l lehet. A klór-dioxidot helyszínen állítják elő (általában hipóból vagy klórgázból)

Ózonos fertőtlenítés (O3) Nagyon hatékony fertőtlenítőszer Instabil vegyület a fertőtlenítés szokványos eseteiben, ezért hosszú távon nem fejt ki fertőtlenítő hatást Savas közegben hatékonyabban fertőtlenít az ózon Az ózon szerves vegyületek feldarabolásával jelentősen növelheti a hálózati víz BDOC, AOC tartalmát Drága az előállítása Helyszínen állítják elő ún. ózon generátorokban Az előállítása elve: oxigén gázból nagyfeszültségű elektromos kisülés alkalmazásával

UV-fertőtlenítés Meghatározott hullámhosszú ultraibolya sugárzás erős fertőtlenítő hatású Nem kémiai, hanem fizikai úton történő inaktiválás Fertőtlenítési hatékonyság független a pH-tól Csak a sugárzás időtartama alatt fejti ki hatását Csak pár cm vastag vízrétegben fejti ki a hatását

Fertőtlenítőszerek összehasonlítása Klór Klórdioxid Ózon UV Hatásidő több óra több nap  néhány perc  nincs tartós hatás Előállítás klórgáz, hypo vagy elektrolízis (közönséges só) HCl és NaClO2  levegő vagy oxigén, villamos energia villamos energia Fertőtlenítési hatékonyság közepes erős a legerősebb közepes - erős pH-függés nagyon pH függő nincs alacsony FRT-ek * trihalogénmetánok, klóraminok, klórfenolok és más AOX-ok, klorid  klorit bromid jelenléte esetén bromát középnyomású sugárzónál nitrit jelenléte esetén nitrát  * FRT-ek  :  Fertőtlenítési reakciótermékek

Oxidáció szempontú összehasonlítás  Klór Klórdioxid  Ózon   UV  Oxidáció fémek jelenléte esetén pl. vas, mangán, arzénszennyezésű ivóvíz +  +++ - szerves szennyezettségű ivóvíz  - + kellemetlen szag a légmosókban  ++ Lebontás klór, klórdioxid vagy ózon a termékvízben    +++ trihalogénmetánok az uszodavízben klóraminok az uszodavízben Osztályozás: nem megfelelő (-), megfelelőtől a legmegfelelőbbig (+++)

Ammónia mentesítés Ammónia eltávolítás szükségessége: Nitrit és nitrát keletkezhet belőle a hálózatban (nitrit – vér hemoglobinjához kötődik, nitrát – csecsemők gyomrában képes nitritté redukálódni) Csökkenti az aktív klórszintet a hálózatban Technológiai lehetőségek: Törésponti klórozás + aktívszén szűrés Biológiai ammóniamentesítés Adszorpció zeolit tölteten + regenerálás pH szabályozás ammónia gáz kihajtással (ipari szennyvízkezelés)

Ammónia mentesítés törésponti klórozással I. Ha a vízben ammónia (NH3) vagy ammónium-ion (NH4+) is jelen van, akkor a klórozás hatására klóraminok keletkeznek. A ammónia és az ammónium-ion a vízben disszociál: A klóraminok keletkezésének reakcióegyenletei: Monokklóramin keletkezése: Diklóramin keletkezése: Triklóramin keletkezése:

Ammónia mentesítés törésponti klórozás III.

Ammónia mentesítés törésponti klórozással IV. A törésponti klórozó egység után aktívszén szűrő alkalmazása szükséges (Klórozási melléktermékek eltávolítása) Technológia előnyei: Egyszerűen szabályozható Ammónia eltávolítás garantált Technológia hátrányai: Magas üzemköltség AOX, THM vegyületek az elfolyó vízben Kloraminok szagkeltő hatása

Biológiai ammónia mentesítés I. Nitrifikáció Technológiai cél: biológiai nitrifikáció elősegítése Magas oldott oxigénszint Felvehető szerves szén jelenléte Megfelelő vízhőmérséklet pH Fertőtlenítő szer ne legyen a rendszerben!

Biológiai ammónia mentesítés II. A nitrifikáció előidézése általában levegőztetett kavicsszűrőben történik (aerob fixfilmes bioreaktor) Technológia előnyei: Alacsony üzemköltség (?????) Nincs vegyszerigénye Technológia hátrányai: Hatásfok bizonytalan Nitrit lépcsőn megrekedhet a folyamat Befertőződés Leszakadó biofilmről további technológiai elemmel gondoskodni kell Hosszú bedolgozási időigény

Ammónia mentesítés adszorpcióval Zeolit töltet ammóniát megköti Regenerálni kell: Törésponti klórozással Biológiai nitrifikációval Mivel Mg és Ca-ionokat is megköt, ezért a víz keménységének növekedésével a hatékonyság csökken

RO-berendezések Vízkezelésben legelterjedtebben használt membrán eljárás Nanoméret nagyságrendű pórusméretű membránokat alkalmaznak A nagyméretű molekulák és a vírusok sem tudnak áthatolni rajta Főbb felhasználási területek: Sótalanítás Fertőtlenítés Utótisztítás

Utótisztításról Utótisztítási igények: Technológiai lehetőségek: Íz és szagkeltő anyagok, mikroszennyezők THM, AOX (Abszorbeálható szerves halogének) BDOC, AOC tartalom Vírusok Hormonok Technológiai lehetőségek: Keletkezés illetve átjutás mérséklése a technológián belül Kontaktidő, oxidálószer típus és dózis optimalizálása Koagulációs folyamatok optimalizálása Adszorpciós hatékonyság növelése Utótisztítás Aktív szén szűrés Kombinált oxidáció és fertőtlenítés (pl. ózon+UV+utóklór) Membrán eljárások alkalmazása

Egy kis gyakorlat I.

Egy kis gyakorlat II.

Egy kis gyakorlat III.

Egy kis gyakorlat IV.

Egy kis gyakorlat V.

Felhasznált irodalom Somlyódy László et al: Víztisztítás. BME-VKKT, Budapest, 2007. www.prominent.hu www.ecoviz.eu www.tankonyvtar.hu/konyvek/kornyezettechnika http://www.vattenteknik.hu Öllős Géza: Víztisztítás-üzemeltetés. Egri Nyomda Kft. Horváthné Farsang Ágota: Vízkezelés, szennyvízkezelés. www.ttk.nyme.hu/fldi/Documents/Farsang%20Ágota/.../vízkezelés.ppt Dr. Chovanecz Tibor: Az ipari víz előkészítése. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979.

Köszönöm a megtisztelő figyelmet!