Filtracja Wód Powierzchniowych: Metody i Zastosowania
- Szczegóły
Do zaopatrzenia ludności w wodę na potrzeby bytowo-gospodarcze korzysta się z wód powierzchniowych lub podziemnych. Woda pobierana ze studni, ujęć miejskich czy zbiorników powierzchniowych rzadko nadaje się do bezpośredniego spożycia lub wykorzystania przemysłowego, ponieważ zawiera rozpuszczone sole mineralne, zawiesiny mechaniczne, mikroorganizmy oraz substancje organiczne. Ich obecność wymusza przeprowadzenie procesów uzdatniających. Systemy uzdatniania wody różnią się skalą działania i stopniem zaawansowania technologicznego.
Wody Podziemne a Powierzchniowe
Najczęściej wykorzystywana woda do celów pitnych oraz socjalno - bytowych to właśnie woda podziemna. Występuje w bardzo dużych ilościach w kształcie basenów podziemnych na terenach całej Europy. Największe zapasy - to centralna oraz wschodnia jej część. W związku z nie ekologicznym działaniem człowieka, jakość wody podziemnej z roku na rok się pogarsza. Niezależnie od tego na jakiej głębokości znajduje się woda podziemna - w większym czy mniejszym stopniu potrzebuje uzdatniania.
Na ujęciach komunalnych woda podziemna zazwyczaj jest poddana uzdatnianiu mechanicznemu, odżelazianiu oraz odmanganianiu, w niektórych przypadkach dodatkowo stabilizuje się organoleptycznie, tzn. usuwają się nieprzyjemne zapachy oraz zabarwienia. Raz na jakiś czas ujęcie wody z urządzeniami uzdatniania wraz z całą siecią wodociągową profilaktycznie się dezynfekuje. Taki schemat uzdatniania jest standardowy dla ujęć podziemnych i nie wymaga dużej ilości stopni uzdatniania oraz skomplikowanych urządzeń jak w przypadku ujęć wód powierzchniowych. Łatwość pobierania i uzdatniania wody podziemnej jest związana z dużą głębokością studni oraz bardzo precyzyjnego wywiadu geologicznego terenu przed planowaną inwestycją budowy ujęcia.
Gorzej jest z wodą z własnych ujęć podziemnych. Zazwyczaj przed wywierceniem małych studni nie robi się wywiadów geologicznych i nie wierci się głębokich studni, bo jest to związane z wysokimi kosztami. Najczęściej każda woda na którą trafi studniarz przy wierceniu studni, jest traktowana jako woda podziemna i na tym wiercenie się kończy. Ale pierwszy poziom wodonośny - to nic innego jak woda gruntowa, podskórna, która podczas opadów spływa z pól, terenów zabudowanych, cmentarzy itd. po czym wsiąka w grunt. Zazwyczaj te wody potrzebują bardzo precyzyjnego podejścia pod kątem uzdatniania i dużo uwagi poświęca się wyborowi technologii uzdatniania. Niektórzy mogą sobie pozwolić na wywiercenie głębszej studni po wcześniejszym przebadaniu terenu oraz dobrze wybranemu miejscu wiercenia. W tym przypadku jakość wody będzie nieporównywalnie lepsza od jakości wody gruntowej, ale uzdatnianie też będzie potrzebne, aczkolwiek w mniejszym stopniu. W tym czy w innym przypadku wodę da się uzdatnić - pytanie jakim kosztem?
Małe stacje wodociągowe eksploatują wodę najczęściej z ujęć głębinowych, z podwyższoną zawartością przede wszystkim żelaza i manganu. Wodę o takich parametrach można uzdatnić metodami klasycznymi opartymi na filtracji przez złoże żwirowe lub metodami nowoczesnymi, np. poprzez separację membranową (mikrofiltracja, nanofiltracja, ultrafiltracja, odwrócona osmoza).
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Analiza Kosztów Uzdatniania
Każda technologia generuje określone koszty, dlatego też przeprowadzono analizę porównawczą kosztów technologii klasycznej i membranowej dla modernizowanej stacji uzdatniania wody o średniej wydajności 571 m3 • d-1. Obliczono całkowite koszty inwestycyjne i koszty technologii dla dobranych urządzeń (przy założeniu okresu eksploatacji 30 lat) i stwierdzono, że są one porównywalne dla obu technologii. Różnica wynosi odpowiednio 3,0% i 7,5% na korzyść technologii klasycznej. W przypadku budowy nowej stacji technologię klasyczną przedraża jednak koszt budynku.
Metody Filtracji Wody
Dalej opiszemy najpopularniejsze metody oraz ich praktyczne zastosowania. Technologie oczyszczania i uzdatniania wody dzielą się na mechaniczne, chemiczne oraz membranowe. Każda metoda usuwa inny typ zanieczyszczeń: filtry wychwytują zawiesiny, sorpcja pochłania związki organiczne, membrany blokują sole i mikroorganizmy. Dobór odpowiedniego systemu uzdatniania wody zależy od jakości źródła i przeznaczenia płynu. Gospodarstwa domowe montują proste zestawy filtracyjne, natomiast przemysł stosuje wielostopniowe instalacje sterowane automatyką.
Filtracja Mechaniczna
Najprostsze techniki opierają się na fizycznym zatrzymywaniu zanieczyszczeń. Filtracja mechaniczna to podstawowa metoda uzdatniania wody, która następuje na początku w każdym przypadku. Filtry wyłapują te cząsteczki i je zatrzymują, przepuszczając dalej oczyszczoną wodę. W ten sposób przefiltrowana woda staje się bezpieczna dla przewodów i urządzeń, które pracują w naszych domach z użyciem wody.
Filtracja wielostopniowa usuwa cząstki o różnej średnicy. Pierwsze sita wychwytują fragmenty liści, żwiru czy rdzy z rur, a kolejne stopnie redukują cząsteczki mikrometrowe. Wielkość porów decyduje o efektywności: filtry żwirowe radzą sobie z dużymi zanieczyszczeniami, podczas gdy wkłady z tkaniny polipropylenowej zatrzymują drobniejsze frakcje.
Sedymentacja i Flotacja
Sedymentacja wykorzystuje grawitację, w wyniku czego zanieczyszczenia cięższe od wody opadają na dno zbiorników osadnikowych. Metoda ta sprawdza się w oczyszczalniach komunalnych i zakładach przetwórczych, gdzie duże objętości płynu wymagają spokojnego przepływu przez komory osadcze. Czas retencji musi być wystarczająco długi, by drobne cząstki zdążyły opaść.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Flotacja działa odwrotnie. Pęcherzyki powietrza unoszą lekkie substancje na powierzchnię, gdzie zbiera się je mechanicznie. Tłuszcze, oleje, fragmenty roślin trafiają do skimmerów, a oczyszczony płyn spływa do następnej komory. System oczyszczania wody flotacyjnej instaluje się głównie w przemyśle spożywczym i petrochemicznym, gdzie w ściekach pojawiają się substancje hydrofobowe.
Procesy Chemiczne i Fizykochemiczne
Procesy chemiczne i fizykochemiczne ingerują w skład wody na poziomie molekularnym. Reagenty destabilizują zawiesiny, złoża pochłaniają rozpuszczone substancje, a utleniacze przekształcają trudne zanieczyszczenia w formy łatwiejsze do usunięcia.
Koagulacja
Koagulacja polega na dodaniu związków chemicznych. Są to najczęściej siarczany glinu lub chlorku żelaza, które destabilizują koloidalne cząsteczki unoszące się w wodzie. Drobnoustroje, zawiesiny organiczne i mineralne tracą ładunek elektryczny i tworzą większe agregaty.
Korekta pH
Woda kwaśna koroduje instalacje, alkaliczna wytwarza osady kamienne. Automatyczne pompy dozują kwasy (siarkowy, solny) lub zasady (wodorotlenek sodu, wapno), utrzymując odczyn w zadanym przedziale.
Metody Membranowe
Metody membranowe przepuszczają wodę przez półprzepuszczalne przegrody o mikroskopijnych porach. Im mniejsze otwory, tym więcej substancji zostaje zatrzymanych.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Mikrofiltracja i Ultrafiltracja
Mikrofiltracja wychwytuje cząstki 0,1-10 mikrometrów np. bakterie, zawiesiny koloidalne, fragmenty komórek. Ultrafiltracja idzie głębiej: zatrzymuje makrocząsteczki białkowe, wirusy, endotoksyny przy średnicy porów 0,001-0,1 mikrometra. Obie techniki pracują przy niskim ciśnieniu i nie usuwają rozpuszczonych soli mineralnych.
Odwrócona Osmoza
Najpotężniejsza technologia membranowa wymusza przepływ przez porowatą przegrodę pod ciśnieniem 4-15 barów. Membrana przepuszcza wyłącznie cząsteczki wody, blokując sole, metale ciężkie, pestycydy. Jej skuteczność sięga 95-99%. Oczyszczanie wody urządzeniami osmotycznymi tworzy dwa strumienie: permeatu (oczyszczonej) i koncentratu (odpadu ze skoncentrowanymi zanieczyszczeniami). Zjawisko odwróconej osmozy jest wykorzystywane jako jedna z metod uzdatniania wody. Przyłożenie odpowiednio wysokiego ciśnienia zewnętrznego po stronie bardziej stężonego roztworu powoduje przepływ wody w kierunku przeciwnym do naturalnego. Woda poddana filtracji metodą odwróconej osmozy jest całkowicie odsolona, ale nie zostaje pozbawiona związków gazowych takich jak dwutlenek węgla i tlen.
Wymiana Jonowa i Dezynfekcja UV
Złoża żywic selektywnie pochłaniają jony o określonym ładunku. Żywice kationowe wychwytują wapń i magnez, zamieniając je na sód. W rezultacie powstaje woda miękka bez skłonności do odkładania kamienia. Żywice anionowe usuwają jony ujemne: azotany, fosforany, siarczany. Połączenie obu typów daje demineralizację zbliżoną do destylacji.
Ostatni etap eliminuje mikroorganizmy, które przedostały się przez wcześniejsze bariery. Lampy UV niszczą DNA bakterii i wirusów bez wprowadzania chemikaliów. Naświetlanie krótkofalowe (185 nm) dodatkowo rozkłada zanieczyszczenia organiczne.
Zastosowania Systemów Uzdatniania Wody
Wymagania wobec jakości wody zmieniają się radykalnie w zależności od przeznaczenia. Restauracje montują systemy uzdatniania wody z wkładami węglowymi dla ekspresów do kawy oraz pieców parowych. Zaległy w nich kamień niszczy kosztowne urządzenia gastronomiczne. Hotele instalują zmiękczacze chroniące bojlery i baterie sanitarne przed osadami wapiennymi. Gabinety stomatologiczne potrzebują autoklawowalnej wody jałowej mikrobiologicznie. Przemysł spożywczy wymaga zgodności z normami sanitarnymi. System oczyszczania wody musi obsługiwać wielostopniową filtrację, odwróconą osmozę i dezynfekcję UV. Farmacja potrzebuje wody o znormalizowanej czystości (WFI - Water For Injection) - destylacja lub odwrócona osmoza z wielokrotną ultrafiltracją. Elektronika produkuje zdemineralizowaną wodę do płukania płytek krzemowych - rezystywność powyżej 18 megaomów przez demineralizację jonową i naświetlanie UV. Elektrociepłownie zmiękczają wodę zasilającą kotły, by zapobiec kamiennemu nalotowi obniżającemu sprawność.
Biomonitoring Wody
Biomonitoring wody to jedna z najistotniejszych metod oceny jakości wód powierzchniowych i gruntowych. W ostatnich latach staje się coraz bardziej powszechnym narzędziem stosowanym przez naukowców, ekologistów, administrację publiczną oraz przedsiębiorstwa zajmujące się ochroną środowiska. Biomonitoring opiera się na obserwacji organizmów żywych, które mogą działać jako wskaźniki jakości wody.
Organizmy Wskaźnikowe
Jednym z najczęściej wykorzystywanych organizmów w biomonitoringu wody są makroorganizmy wodne. Należą do nich rośliny wodne, owady wodne, ślimaki czy skorupiaki. Organizmami tymi często posługują się badacze, gdyż ich reakcje na zanieczyszczenia są wyraźne i łatwe do zmierzenia. Przykładem może być obecność i liczebność larw owadów, które w naturalnych warunkach żyją w czystych wodach, ale zanikają w środowisku zanieczyszczonym. Również glony wykorzystywane są do pomiarów jakości wody. Glony, jako organizmy fotosyntetyzujące, mają zdolność do szybkiej reakcji na zmiany jakości wody. Zbyt wysokie stężenie zanieczyszczeń w wodzie, zwłaszcza azotanów i fosforanów, może powodować ich nadmierny rozwój, prowadząc do tzw. zakwitów.
Biomonitoring wody przy pomocy ryb jest również szeroko stosowanym rozwiązaniem. Ryb w ekosystemie wodnym jest wiele gatunków, a ich reakcje na zanieczyszczenia, zmiany w temperaturze wody czy niedobory tlenu mogą być mierzone, by określić stan wód. Dodatkowo, niektóre gatunki ryb, zwłaszcza te drapieżne, mogą pełnić funkcję tzw.
Do oceny jakości wody, coraz częściej stosuje się także mikroorganizmy. W tym przypadku wykorzystuje się przede wszystkim bakterie, które są bardzo czułe na zanieczyszczenia, szczególnie na obecność metali ciężkich, pestycydów czy innych szkodliwych substancji chemicznych.
Zalety Biomonitoringu
Biomonitoring wody oferuje szereg korzyści, które sprawiają, że jest to niezastąpiona metoda oceny jakości wód. Przede wszystkim jego zintegrowany charakter pozwala na dokładniejszą ocenę stanu środowiska wodnego. W odróżnieniu od pomiarów fizykochemicznych, biomonitoring pozwala na śledzenie długoterminowych zmian w ekosystemach, które nie są natychmiastowo widoczne. Zaletą biomonitoringu jest także mniejsza kosztowność w porównaniu do niektórych tradycyjnych metod monitorowania jakości wody. Zamiast skomplikowanych, kosztownych analiz chemicznych, biomonitoring opiera się na długoterminowym obserwowaniu organizmów wodnych, które pełnią funkcję naturalnych wskaźników zanieczyszczeń.
Zastosowania Biomonitoringu
Biomonitoring wody znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, szczególnie w monitoringu środowiskowym i ochronie ekosystemów wodnych. Jako metoda stosowana w badaniach jakości wód, jest wykorzystywana zarówno przez jednostki rządowe, jak i organizacje pozarządowe zajmujące się ochroną środowiska. Dzięki tej metodzie można identyfikować zagrożenia związane z zanieczyszczeniem wód, w tym zanieczyszczeniami chemicznymi, takimi jak metale ciężkie, pestycydy czy nawozy sztuczne.
Biomonitoring jest także stosowany w procesie oczyszczania wód. Dzięki temu można monitorować skuteczność oczyszczania wód w oczyszczalniach ścieków, a także oceniać, czy woda spełnia normy jakościowe przed jej wprowadzeniem do systemu wodociągowego lub do środowiska naturalnego. Biomonitoring wody ma również zastosowanie w badaniach naukowych i ocenie wpływu zmian klimatycznych na ekosystemy wodne. W obliczu globalnego ocieplenia oraz zjawisk takich jak zmiany temperatury wód czy zmniejszający się poziom wód w rzekach, biomonitoring pozwala na ocenę wpływu tych zmian na organizmy wodne.
Biomonitoring wody to metoda, która nie tylko umożliwia ocenę jakości wód, ale także pozwala na lepsze zrozumienie dynamicznych interakcji w ekosystemach wodnych. Poprzez wczesne wykrywanie zanieczyszczeń i reagowanie na nie, możliwe jest minimalizowanie ich wpływu na środowisko, co przekłada się na poprawę jakości życia ludzi oraz ochronę cennych zasobów wodnych.
tags: #filtracja #wód #powierzchniowych #metody
