Filtrace

Filtrace

Nejpoužívanější technologický proces ve vodárenství

Slouží k odstranění částic nerozpuštěných látek určité velikosti

Druhy filtrace:

Upravovaná voda prochází zrnitým nebo porézním materiálem, přičemž efekt zachycování částic z vody nastává na základě těchto procesů:

Mechanické cezení, kdy částice větších rozměrů nepronikají do menších mezer

Adsorpce působením hmotnostních Van der Waalsových a elektrostatických Coulombových sil

Chemické působení filtrační vrstvy u aktivních materiálů (např. odkyselování, odželezovaní a odmanganování vod)

Biologického – působením oživení na filtrační vrstvě, zejména u pomalé filtrace

Objemová filtrace

Pro odstranění částic nerozpustných látek, jejichž velikost je menší než velikost zrn filtrační náplň (tj. 0,5 do 3,0mm)

Filtrační materiál – nejčastěji křemičitý písek pro vodárenské účely, dále antracit, aktivní uhlí, dolomit, mramor atd.

Požadavky na filtrační náplň:

Mechanická stálost a pevnost

Chemická odolnost

Stejnozrnost

Tvar zrn (za optimální se považuje kulovitý)

Mezerovitost

Měrná hmotnost zrn

Typický průběh filtrační fáze

Náplň 50cm, zrno 1,05 – 1,2 mm, filtrační rychlost 5m/h

– koncentrace NL v surov vodě

– koncentrace NL ve filtrátu

– průběh tlakové ztráty

Vzniká tlaková ztráta rovná hydraulickému odporu vrstvy. Porovnání koncentrace NL ve filtrátu s předepsanými hodnotami, při překročení ukončení fáze. Ukončení také při vzrůstu tlakové ztráty na hodnotu tlakového spádu (má být navržen tak, aby byl vyčerpán v době, kdy filtrát přestane mít požadovanou kvalitu)

Prací fáze

Nedostatečném praní zkracuje filtrační fázi a zdražuje provoz filtru

Používá se praní vodou (americké filtry) nebo vzduchem a vodou (evropské filtry)

Při praní vzduchem a vodou se obvykle pere nejprve 3 – 5 minut vzduchem a poté společně vzduchem a vodou 5 – 15 minut

K dopírání se používá voda až do vyčiření odtoku

Pomalá filtrace

Využívá činnosti mikroorganismů – tvoří biologický povlak na povrchu filtru – rozkládají organické látky, snižují počet bakterií

Probíhají procesy fyzikálně – chemické i biochemické

Nelze použít po čiření!!!

Použití omezeno jakostí vody – CHSK_Mn do 6,0 mg/l, barva do 30 mg/l, zákal do 100 ZF a obsah nerozpuštěných látek do 50 mg/l, nežádoucí je větší obsah železa a manganu

Zpočátku se používala k odstranění zákalu, později i pro snížení počtu bakterií

Kapacitně nestačily, nahrazovány rychlofiltry

Historická technologie, ale dále používá pro výkony do 6 l/s vzhledem k významné biologické funkci – ponechává vodě přirozený charakter

Musí být v podzemní nebo zastřešený

Filtrační fáze : 3 – 6 týdnů (léto)

7 – 12 týdnů (zima)

Praní filtru

Mechanické odstranění horní vrstvy – seřezává se a dopravuje na pračku s třídičem

Hydraulické způsoby praní bez seřezání horní vrstvy – soustava trubek na pojízdném mostu zasahují do horní vrstvy náplně, převádějí vodu odvádějí kal

Rychlá filtrace

o       Nejpoužívanější technologie ve vodárenství

o       Používají po čiření

o       Ryclofiltry se liší od pomalých filtrů

hrubší zrnitosti náplně

vyšší filtrační rychlostí a tím i menší potřebnou plochou

nejsou založeny na činnosti mikroorganismů

Rychlé filtry – rozdělení

Podle režimu proudění - otevřené (gravitační)

- tlakové

podle konstrukce  - evropské

- americké

podle směru proudění - protéká shora dolů

- protéká zdola nahoru

podle způsobu provozu - protékání obousměrně

- cyklickým praním

- s kontinuálním praním

podle počtu vrstev  - jednovrstvé

- vícevrstvé

Otevřené rychlofiltry

Pro jednostupňovou i dvoustupňovou úpravu

Tvoří je železobetonové a ocelové nádrže, mezidna a žlaby bývají prefabrikované

Náplň – nejčastěji písek, případně i aktivní uhlí nebo jiný organický materiál

Dva základní typy otevřených filtrů

- americké

- evropské

hlavní rozdíl je v různé zrnitosti náplně – z toho plynou konstrukční rozdíly

Americké rychlofiltry

Mají jemnější náplň, perou se vodou, která se rozvádí drenážním systémem s vhodnými opěrnými vrstvami místo drenážního mezidna

Evropské rychlofiltry

hrubší náplň

použití vzduchu jako pomocného pracího média

mají mezidno s tryskami nebo pórovitými dskami

Koagulační filtrace

Používá se evropský typ rychlofiltru s vyšší vrstvou hrubší náplně

Je vynechán první stupeň separace a všechny vločky jsou zachycovány na filtru

Tlakové filtry

Konstrukčně se podobají otevřeným

Ocelové uzavřené nádoby válcového tvaru, náplň je nejčastěji písek

Vyšší vstupní tlak, vrstva náplně a rychlostí

Filtrační fáze je možno ukončovat při větší tlakové ztrátě s lepším využitím kalové kapacity filtrační náplň

Jsou opatřeny mezidnem s filtračními tryskami

Používají se při tlakovým průtoku úpravnou a tam, kde je z dispozičních důvodů nevýhodné použít otevřený filtr

Jednovrstvé stojaté filtry

Směr filtrace shora dolů, víceúčelové použití

Filtrační lože plněno tříděným křemičitým pískem

Nejvyšší pracovní přetlak je 0,6 MPa, největší propustná tlaková ztráta je 0,1 MPa. Velikostní řada stojatých filtrů podle průměru D válcového pláště v metrech je 0,6; 0,8; 1; 1,4; 2;3

Jednovrstvé ležaté filtry

Použití pro větší průtoky. Šířka do 5 m, délka nádoby je 10 m. Filtrační plocha je nejvýše 50 m2. Drenážní soustava bývá uspořádána jako děrované rozdělovací potrubí uložené ve vrstvě štěrku nebo jako ocelové mezidno s filtračními hlavicemi

Dvouproudé dvouvrstvé filtry DDF

Surová voda přiváděna do horní části filtru i pod dno opatřené tryskami. Filtrace současně shora i zdola, filtrát je odváděn scezovacím zařízením umístěným uvnitř lože. Po vyčerpání přípustného tlakového spádu nebo kalové kapacity se náplň regeneruje vodou a vzduchem

Pracují s dvoj až trojnásobným jednotkovým průtokem a několikanásobně vyšší kalovou kapacitou ve srovnání se stojatými tlakovými filtry stejného průměru

Náplavná filtrace

Zachycení částic menších než 1 mm.

Před filtrací se naplavuje mostící vrstva a vrstva filtračního materiálu na síto

Regenerace se provádí nárazově

Nosná vrstva – tkanina se syntetických nebo kovových vláken, síto, filtrační svíčky

Náplavový materiál – rozsivková zemina, diatomit, perlit, křemelina

Odstranění parazitů, barev, bakterií

Snížení počtu bakterií a virů

Membránové způsoby

• Mikrofiltrace
• Ultrafiltrace
• Monofiltrace
• Reverzní osmóza

Materiály membrán

Ø      Látky přírodního původu (acetátová celulóza)

Ø      Syntetické materiály (např. polyamidy)

Ø      Keramické

Dělí se na

v     Symetrické (izotropní)

v     Asymetrické (se dvěmi vrstvami ze stejného materiálu)

v     Kompozitní (několik vrstev z různých materiálů)

Moduly, v nichž probíhá úprava vody lze podle umístění membrány rozdělit na

• Moduly s plošnou membránou
• Moduly s tubulární membránou
• Moduly dutými polyamidovými vlákny

Reverzní osmóza

Na koncentrovanější roztok působíme tlakem větším než je osmotický

Reverzně osmotické zařízení pracuje s membránou, která protlačí H2O skrz póry, ale větším molekulám minerálů v průchodu zabrání

Dezinfekce

Proces, kterým se odstraňují patogenní zárodky (bakterie, viry) z vody a který slouží k zabezpečení zdravotní nezávadnosti vody v distribuční síti

Při použití silných oxidačních činidel probíhá současně oxidace anorganických a organických látek ve vodě

Použití u povrchové a podzemní vody

Primární dezinfekce

Součást vlastního procesu úpravy vody na vodu pitnou (fyzikální způsoby, chemická preoxidace)

Sekundární dezinfekce

Slouží k hygienickému zabezpečení pitné vody v distribuční síti (činidla na bázi chloru)

Účinnost dezinfekce vody a oxidace látek přítomných ve vodě

• Závisí především na:
• Charakteru a koncentraci organických a anorganických látek přítomných ve vodě
• Druhu a počtu mikroorganismů, bakterií a virů, na jejich odolnosti vůči dezinfekci
• Druhu a dávce činidel
• Době jejich působení
• Teplotě vody
• Zařazení dezinfekce v rámci procesu úpravy

Preoxidace

Proces, vyvolaný přídavkem oxidačního činidla k surové vodě před další její úpravou

Dochází k odstranění mikroorganismů a k oxidaci anorganických a organických látek ve vodě

Provádí se :

fyzikálně – chemicky (vzdušným kyslíkem)

Chemicky (ozón, peroxid vodíku, manganistan draselný, oxid chloričitý a u vod s nízkým potenciálem tvorby haloformů i chlor a jeho sloučeniny)

Posouzení účinnosti primární dezinfekce – faktor CT

Vyjadřuje vztah mezi koncentrací zbytkového dezinfekčního činidla v mg/l [C] a kontaktní dobou vody s dezinfekčním činidlem [T] v minutách.

Čím je činidlo silnější a jeho dávka je vyšší, tím kratší doba kontraktu je nutná k inaktivaci patogenních mikroorganismů

Dechlorace při primární dezinfekci

Některé povrchové vody vyžadují vysoké dávky chloru

Přebytek chloru se po 5 až 15 minutách kontaktu odstraní – dechlorace se provádí thisíranem, oxidem siřičitým, siřičitanem sodným nebo filtrací přes aktivním uhlím

Způsoby dezinfekce

Chemické

Silná oxidační činidla : ozón, chlor a chlornany, chloramidy, oxid chloričitý, stříbro a jeho soli, KMnO₄, H₂O₂

Fyzikální

UV záření, záření g, ultrafiltrace, monofiltrace

Pro dezinfekci balených vod se využívá UV záření, dezinfekce anodickou oxidací a dezinfekce ionizujícím zářením

UV záření

K poškození mikroorganismů dochází absorpci záření nukleovými kyselinami DNA a RNA (důsledek : zabraňuje rozmnožování mikroorganismů)

Nejúčinnější je při vlnové délce 254 nm, k inaktivaci patogenních bakterií a virů s účinností snížení o 4 řády, při 254 nm je třeba intenzita 400 J/m²

Zdrojem UV záření jsou vysokotlaké nebo nízkotlaké výbojky

k výrobě se nepřidávají chemické látky, nevznikají vedlejší produkty dezinfekce

účinek není trvalý, nedá se použít pro hygienické zabezpečení

Ozonizace

Pouze primární dezinfekce

Ozonizátory deskového nebo trubkového typu

Doba kontaktu 4 až 12 minut

Ozón je škodlivý – nutné odvětrání, v posledních letech vyžadována následná sorpce filtrací přes aktivní uhlí

nejsilnější oxidační činidlo, působí na bakterie a viry, velmi účinné pro primární dezinfekci

výroba na místě v ozonizátoru, musí se z vody odstranit, nedá se použít pro hygienické zabezpečení

Hygienické zabezpečení vody – dezinfekční činidlo na bázi chloru

Reakcí vodního chloru s vodou vzniká kyselina chlorná – skutečné oxidační činidlo

Tři základní typy chloru

• Volný aktivní chlor (Cl2, ClO, ClO2)
• Vázaný aktivní chlor (chlornany)
• Celkový chlor

Rozpouštění : Cl₂ + H₂O H⁺ + Cl^- + HClO

Neutralizace : H⁺ + HCO₃^- H₂O + CO₂

Disociace kyseliny : HClO H⁺ + ClO^-

Chlor, chlornan sodný a chlornan vápenatý

Dávkování chloru pomocí chlorátoru

Přímá chlorace – expandovaný chlor se rozptyluje do vody ve formě drobných bublinek

Nepřímá chlorace – po redukci tlaku chloru a odměření množství se připraví 2 až 5 % roztok, který se k chlorované vodě přidává

Chlornan sodný se dodává jako 13 – 15 % roztok s obsahem aktivního chloru 165 – 175 g/l. Jako stabilizační přísadu obsahuje NaOH

poměrně nízká cena, dostupnost a relativní stálost ve vodných roztocích, jednoduchost dávkovacích zařízení

tvorba vedlejších produktů dezinfekce, příp. chlorfenolů, závislost účinnosti na pH

Anorganické chloramidy

Zastoupení vytvořených chloraminů ve vodě závisí na poměru chloru k amoniaku a na pH

Využívá se monochloramin NH₂Cl, případně dichloramin

Nedoporučuje se pro primární dezinfekci

Vyrábějí se přímo v upravované vodě přidáním amonných iontů k chlorové vodě

jsou stálejší při reakci s prekursory vzniká méně haloformů, výhodné u dlouhé doby zdržení v síti

tvorba vedlejších produktů dezinfekce, slabší dezinfekční čidlo

Oxid chloričitý (chlordioxid – ClO₂)

Často se používá k preoxidaci

Na látky ve vodě působí oxidačně a nikoli chloračně – netvoří haloformy

Značně nestabilní plyn, musí se vyrábět přímo ve vodném roztoku

Nejprve se reakcí chloru s chloritanem sodným připraví poměrně koncentrovaný roztok oxidu chloričitého a ten se potom dávkuje v požadovaném množství do pitné vody

nedochází ke vzniku haloformů, nezávislost účinnosti na pH

nelze jej stlačit a skladovat, vyšší provozní náklady, slabší dezinfekční činidlo

Dávka dezinfekčního činidla

Musí zajišťovat dostatečnou zbytkovou koncentraci garantující mikrobiologickou kvalitu v celém systému

Současně musí být minimalizována tvorba vedlejších produktů dezinfekce

V ČR má být vždy u spotřebitele pozitivní nález volného chloru, doporučuje se hodnota nejméně 0,05 mg/l a nejvíce 0,3 mg/l

Návrh vhodného dezinfekčního činidla a jeho dávky je potřeba ověřit experimentálně technologickými zkouškami – stanovení závislosti zbytkového obsahu dezinfekčního činidla na čase a dávce

Dezinfekce stříbrem a jeho solemi

Založena na oligodynamickém působení na mikroorganismy, použití u jednotlivých individuálních zdrojů vody

Dezinfekce anodickou oxidací

Princip spočívá v přímé a nepřímé oxidaci, při níž dochází ke změně struktury buněk, příp. k jejich rozkladu

Materiál elektrod – kovové (Ti,Ti – Pt)

Dezinfekční účinek závisí na intenzitě proudu, hustotě proudu, napětí, konduktivitě vody a dalších.