Filtracja wody - złoża filtracyjne

Filtracja wody, a w szczególności wody pitnej ma na celu oczyszczenie wody z substancji niepożądanych, szkodliwych oraz poprawić walory konsumpcyjne, jak klarowność, smak i zapach. Ścisłe warunki eksploatacji i jakości wód przeznaczonych do picia określa ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ZDROWIA z dnia 7 grudnia 2017 r. Za spełnienie wymogów jakościowych odpowiada jednostka pobierająca wodę zarówno w celu użytku własnego jak i udostępniająca dla osób trzecich i użytku publicznego. W ostatnim czasie wzrosła konieczność poszukiwania alternatywnych rozwiązań, których celem jest ograniczenie zużycia wody - w tym przypadku wód popłucznych z instalacji filtracyjnych na bazie złóż kwarcowych najczęściej wykorzystywanych w procesach uzdatniania wody do celów konsumpcyjnych. Z reguły  w systemach filtracyjnych wodociągów publicznych lub jednostek przemysłowych stosujemy złoża jednorodne lub mieszane zależnie od potrzeb i prowadzonej technologii.

Najczęściej używane to:

Piasek - czyli złoża kwarcowe itp.                             

Antracyt - kruszywo na bazie węgla kamiennego.

Węgiel aktywny - prażony materiał organiczny w postaci drobnoziarnistej.

Tlenek manganu - pyliste złoże z mielonego tlenku manganu
 

W uzdatnianiu wód dla potrzeb publicznych rzadziej korzysta się z takich mediów filtracyjnych jak szkło, Greensand, Birm, złoża jonowymienne itp. głównie z uwagi na wysokie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Natomiast dość często można spotkać domieszki w celu korekty pH - wiązanie CO₂, sorbenty selektywne do usuwania poszczególnych substancji z wody, techniki biofiltracyjne w celu eliminacji NH₄ ⁺, mieszane jak eliminacja As z udziałem FeCl₂ itp. Niemniej zdecydowanie głównym i podstawowym materiałem filtracyjnym jest piasek kwarcowy o różnej granulacji, a podstawowym zadaniem usunięcie zawiesin humusowych, substancji koloidalnych i klarowanie wody.

Czy stosowanie piasku kwarcowego w filtracji wody pitnej to najlepsze rozwiązanie?

Piasek jako materiał filtracyjny to stosunkowo uniwersalne medium o dużej wytrzymałości mechanicznej i chemicznej, jego dostępność rynkowa jest duża i w eksploatacji nie wymaga stosowania złożonych procesów technologicznych. Niestety w tym miejscu należy zaakcentować wady piasku jako medium - nadmierne  zużycie wody w procesach płukań, bardzo wąski zakres oddziaływania filtracyjnego, tendencje do zbrylania, konieczność stosowania bardzo wysokich przepływów do płukania filtrów.

Technologia uzdatniania wody w wodociągach publicznych

Najczęściej spotykane procesy w technologii uzdatniania wód powierzchniowych i podziemnych: 

Napowietrzanie - wytwarzanie mieszanki wodno-powierzanej w urządzeniach mieszających ciśnieniowych i otwartych. W przypadku tych drugich następuje również odpędzanie gazów CO₂, H₂S, CH₄ i przy odpowiedniej korekcji pH NH₄₊. W wyniku napowietrzania zostają wytrącone z wody w postaci kłaczków koloidalnych związki żelaza FeIII i jako MnIV mangan, z tym, że mangan jest dużo bardziej wymagający i oprócz większej ilości tlenu często konieczna jest korekcja pH (do ok. 8) i zastosowanie katalizatora w postaci MnO₂ wpracowanego na złożu. Utworzona w ten sposób zawiesina koloidalna zostaje zatrzymana na ziarnach piasku,  jednocześnie podnosząc jego zdolności filtracyjne. 

Koagulacja - Prowadzi do tworzenia zawiesin koloidalnych organicznych i nieorganicznych, które tworzą większe aglomeraty, dzięki czemu proces filtracji na złożach sedymentacyjno -  flokulacyjnych może być możliwy. Koagulację stosuje się również z uwagi na stosunkowo małą skuteczność filtracyjną piasków, aby pozbyć się wysokich wartości NTU i uzyskać właściwą klarowność wody. Nie można jednak pominąć, że koagulacja zapewnia usunięcie przy okazji wiele substancji szkodliwych jak niektóre metale ciężkie, substancje ropopochodne, pestycydy itp.

Filtracja - ostatnim etapem usuwania zanieczyszczeń z wody do użytku publicznego w celach gospodarczo bytowych i konsumpcyjnych jest wychwytywanie wcześniej wytrąconych zanieczyszczeń na złożach filtracyjnych. Proces ten może przebiegać na filtrach otwartych powolnych, pospiesznych lub ciśnieniowych, przy zastosowaniu różnych konfiguracji technologicznych wynikających z lokalnych potrzeb i jakości wody. Zawsze jednak sprowadza się do wytworzenia i  zatrzymywania zawiesin i substancji powiązanych z nimi na sitach filtracyjnych powstałych z obszarów pomiędzy pojedynczymi ziarnami złoża lub w drodze naturalnego opadania. Na skuteczność filtracji wpływa zastosowany materiał w filtrze, powierzchnia filtracyjna, prędkość filtracji, stopień mineralizacji wody i obciążenie koloidalno-humusowe. Oczywiście w procesie oczyszczania wody można stosować najróżniejsze metody jak: membranowe, wymianę jonową, zastosowanie sorbentów oraz techniki mieszane itp. Jednak powyższy schemat dotyczy większości jednostek oczyszczających wodę dla wodociągów publicznych i gospodarstw domowych.

Skuteczność filtracji, a zastosowane złoże filtracyjne

W procesie uzdatniania wody dla ludności z reguły podstawowe zadania sprowadzają się do usunięcia wysokiego stężenia żelaza Fe II i manganu Mn II oraz zawiesiny humusowo-koloidalnej. Czasami  konieczne jest usunięcie inny niepożądanych związków z wody, jednak podstawą będzie usunięcie żelaza i manganu, a dopiero w następnej kolejności inne zanieczyszczenia. Zdarza  się, że redukcja do oczekiwanych wartości poszczególnych substancji przebiega jednocześnie przy odżelazianiu i odmanganianiu. W tym przypadku omówimy zastosowanie alternatywnego złoża ACTIW Filter w procesach filtracji, gdzie dotychczas stosowano złoża piaskowo kwarcowe lub mieszane , a wymiana medium i późniejsza eksploatacja filtrów  przebiega  bez zmian technologicznych układu, a jedynie z korektą częstotliwości i czasu płukań. 

Zakładamy klasyczny układ technologiczny:

Pobór wody - powierzchniowej lub podziemnej

Napowietrzanie - w systemie otwartym lub ciśnieniowym

Koagulacja/flokulacja - powietrzem przed lub w złożu filtracyjnym (zależnie od zastosowanej metody napowietrzania i prędkości filtracji).

Filtracja zawiesiny i koagulaów na złożu z wykorzystaniem procesów filtracji, sorpcji, procesów biologicznych i katalitycznych.

Dezynfekcja - dozowanie preparatu chlorowego.

Złoże piaskowo kwarcowe 

Najczęściej wykorzystywane medium filtracyjne w Polsce to z pewnością piasek kwarcowy, pozyskiwany z różnych źródeł, niestety często jako zwykły żwir płukany.  Technologia wykorzystywania piasków w uzdatnianiu wody jest tak powszechna, że nie będziemy się koncentrować na tej technologii, a jedynie określimy kilka istotnych właściwości piasku i systemów filtracji z jego udziałem oraz znaczenia samej charakterystyki pojedynczych ziaren i ich wpływ na skuteczność filtracji i przebieg całego procesu uzdatniania wody.

Proces filtracji w największej mierze zależy od jakości pojedynczych ziaren, ich wielkości, kształtu, struktury i masy określanej przez

• porowatość ziarna
• współczynnik fluidyzacji
• spółczynnik sferyczności
• liczba Reynoldsa
• prędkość sedymentacji ziaren

W praktyce najczęściej inwestorzy koncentrują się głównie na wielkości stosowanych frakcji pomijając fakt, że różnice zarówno w skuteczności samego procesu filtracji jak i ilości zużytej wody w cyklach płukań mogą wynosić nawet 50%.

Piaski pozyskiwane bezpośrednio ze żwirowni mają bardzo małą porowatość i niski współczynnik fluidyzacji n = 4,991 Re_s , co konkretnie przekłada się na niską wartość sorpcyjną na powierzchni ziarna, czyli zatrzymywane są głównie w procesie cedzenia cząsteczki większe od ogólnej średnicy porów pomiędzy ziarnami. W tym przypadku mówimy o niskiej zdolności klarowania wody tylko powyżej 10 NTU ( w praktyce często ok 40NTU). Ponadto zastosowanie takich złóż wymusza konieczność użycia dużych ilości wody do procesu płukania i krótkich okresów roboczych pomiędzy nimi. Tu należy wspomnieć o rozróżnieniu pojęcia porowatości złóż, czyli średniej wielkości przestrzeni pomiędzy pojedynczymi ziarnami, a porowatość pojedynczych ziaren. Porowatość ogólna złoża ma wpływ na skuteczność filtracji i opory hydrodynamiczne przepływu, natomiast porowatość ziaren wpływa bezpośrednio na zdolność kolmatacji (ilość możliwa do przyjęcia zanieczyszczeń w danej objętości złoża) oraz skuteczności filtracji z udziałem zjawisk sorpcyjnych, katalitycznych i elektrostatycznych. 

Krótko mówiąc im większa porowatość ziaren, tym skuteczniejsza filtracja przy mniejszych oporach hydrodynamicznych przepływu!

Dlatego często, aby poprawić niskie właściwości piasków stosuje się domieszki w postaci innych mediów o większej porowatości ziaren np. antracyt, dolomit, złoża kataliczne,  węgiel aktywny itp. Niestety kwestia prawidłowych procedur płukań zaczyna wówczas się komplikować z uwagi na odmienne właściwości hydrodynamiczne zastosowanych złóż. Oczywiście dobry projekt uwzględnia powyższe parametry użytych materiałów, jednak w praktyce często pojawiają się problemy eksploatacyjne, które uniemożliwiają uzyskanie optymalnych parametrów jakości wody. Za przykład może posłużyć złoże mieszane z węglem aktywnym, kiedy aby dopłukać dolną część złoża konieczne jest stosowanie takiej dynamiki przepływu, która powoduje wyrzucanie lekkiego złoża węglowego.

W innym przypadku stosowanie zbyt małego przepływu wody powoduje niedopłukanie złóż w dolnych częściach filtra w wyniku czego następuje zbrylenie złóż, co w konsekwencji prowadzi do zaburzeń procesu filtracji, problemy z mikrobiologią i niebezpieczeństwo uszkodzenia dennicy lub gwiazdy i oczywiście zniszczenie samego złoża.

Podsumowując -  stosowanie złóż o różnej charakterystyce fizykochemicznej  - w tym przypadku głównie właściwości hydrostatyczne i hydrodynamiczne w praktyce mogą okazać się uciążliwe i częściowo nieskuteczne. Z uwagi na objętość artykułu pominięty jest temat wpływu parametrów chemicznych wody jak pH, redox, odporność na utleniacze itp. na poszczególne rodzaje złóż i ich skuteczność filtracji.  

ACTIW Filter - alternatywne rozwiązanie 

Złoże filtracyjne ACTIW Filter to należące do grupy zeolitów klinoptylolitowych naturalne glinokrzemiany o bardzo specyficznej budowie tetraedrycznej. Zbudowane głównie z wiązań powstałych pomiędzy Si-Al-O i kationów wymiennych K, Na , Mg, Ca. To znaczy, że wewnętrzna struktura AF posiada trójwymiarowy szkielet, którego budowa powoduje powstawanie mezo, makro i mikroporów oraz kanałów i klatek o regularnych kształtach. W punktach wiązań powstaje ujemny ładunek zdolny do wiązania wymiennych kationów.

Istnieją dwa kanały biegnące równolegle do siebie: kanał składający się z 10-członowego (czworościanu) pierścienia o wielkości ok. 0,44 nm oraz kanał składający się z 8-członowego pierścienia o wielkości  0,41–0,47 nm i kanał biegnący równolegle do ich osi składający się z 8-członowego pierścienia o wielkości 0,40–0,55 nm.

Zarówno wielkość i budowa kanałów, klatek i porów stanowią o szczegółowej charakterystyce danego klinoptylolitu - niczym odcisk palca. Jego właściwości fizykochemiczne są ściśle przypisane do konkretnego złoża i zależne od czystości, sposobu obróbki i składu chemicznego. Dlatego tak ważne jest pochodzenie i stała kontrola jakości minerału zarówno w procesie produkcyjnym jak i systemach modyfikacji. Naturalne złoża zeolitowe to niesamowite medium, gdzie nawet najdrobniejsze różnice w składzie i budowie zmieniają istotnie charakterystykę danego złoża.

ACTIW Filter jest pozyskiwany z jednych z najczystszych złóż na Słowacji przez firmę ZEOCEM, która zapewnia najwyższą jakość produktu z pełnym monitoringiem jakości - ok 3000 analiz rocznie przeprowadzonych we własnych wysoce precyzyjnych laboratoriach lub jednostkach zewnętrznych. 

ACTIW Filter przechodzi proces dehydratacji i kalcynacji w trakcie którego następuje całkowite usunięcie wody z kanałów i klatek, oraz utwardzenie minerału o wytrzymałości mechanicznej zbliżonej do piasku kwarcowego. W trakcie tego procesu materiał pozyskuje  wysoką zdolność sorpcyjną i jonowymienną oraz efekt sita molekularnego, dzięki któremu uzyskujemy  łatwość wytwarzania efektywnych i dostępnych katalitycznych centrów aktywnych, wysoką powierzchnię właściwą, dużą trwałość i zdolność do regeneracji. 

Ponadto wewnętrzne struktury ACTIW Filter wykazują specyficzną selektywność wynikającą z efektu sitowo- molekularnego. Zjawisko to nazywa się selektywnością kształtu (shape selectivity) i w pewnym uproszczeniu sprowadza się do selektywności wielkości cząsteczki, która może zostać związana jonowo wewnątrz klatek. Dlatego ACTIW Filter ma  między innymi największe powinowactwo do N-NH4+, Pb2+, Cu2+, Cs2+, Zn2+, Sr2+. 

Jednym z ciekawszych i wyjątkowych zjawisk występujących w ACTIW Filter jest jednoczesne zachodzenie dwóch procesów - wymiany jonowej i dyfuzji. Wymiana jonowa przebiega w punkcie występowania ujemnego ładunku, a dyfuzja przebiega z dużą dynamiką do wnętrza klatek przez selektywne kształtem otwory. Można to opisać jak budowanie modelu okrętu w butelce, kiedy do wnętrza dostają się tylko małe części, a wewnątrz powstaje duża struktura. Do środka klatek mogą dostać się jedynie cząsteczki o odpowiedniej wielkości, a dla ACTIW Filter jest to 0,4 - 0,5 nm, czyli 4 - 5 A^o i co niezwykle istotne proces ten jest odwracalny, co za wyjątkiem wrażliwych chemicznie żywic jonowymiennych jest niezwykle rzadkie!

ACTIW Filter w wyniku specjalnej obróbki termicznej posiada wysoką odporność chemiczną na działanie kwasów (rzadkość wśród zeolitów), odporność na utleniacze chlorowe, ozon i wysoką termostabianość. Dzięki odporności chemicznej może pracować w środowisku o wysokiem redoksie w kontakcie z chlorem i innymi utleniaczami. Może również służyć jako destruktor ozonu ponieważ „przyjmuje” na ujemnym ładunku szkieletu metal/półmetal Al/Si dodatnio naładowany kation tlenowy, przez co ozon O₃ przechodzi do O₂ + O.

Praktyka zastosowania ACTIW Filter w uzdatnianiu wody

ACTIW Filter jest prostym zamiennikiem w miejsce piasków kwarcowych lub złóż mieszanych. Z uwagi na opisane powyżej cechy zapewnia 10-cio krotnie lepszą filtrację i skuteczność klarowania wody od złóż piaskowo-kwarcowych, przy zachowaniu wysokiej sprawności przepływu. Ponieważ ACTIW Filter jest zarówno sorbentem jak i wymieniaczem jonowych usuwa z wody amoniak i metale ciężkie, zawiesinę, koloidy, fitoplankton i bakterie. Specyfika sorpcyjna, która wynika z występowania porowatości pierwotnej i wtórnej pozwala na dużą kolmatację zanieczyszczeń i zwiększenie okresów pomiędzy płukaniami. Również czas samego procesu płukań ulega zmniejszeniu z uwagi na mniejsze zapotrzebowanie wody do uzyskania właściwej fluidyzacji złoża - zależnie od granulacji i wysokości nasypowej ok - 30%. Powierzchnia aktywna wynosząca, aż 60m²/g, która wynika ze specyficznej budowy szkieletowej i krystaliczna płaszczyznowa struktura ułatwia w pierwszym etapie wychwytywanie zanieczyszczeń, a w drugim  usuwanie ich w  trakcie płukań. ACTIW Filter szybko wpracowuje się jako biofiltr z udziałem bakterii i stryktur biologicznych przyspieszających niektóre procesy bioredukcyjne przez możliwość tworzenia mikrofilmów, jednak nie pozwala na powstawanie dużych warstw destrukcyjnego biofilmu. 

Dzięki występującym jednocześnie procesom sorpcji, katalizy, wymiany jonowej i efektu sita molekularnego ACTIW Filter zapewnia bardzo dużą skuteczność klarowania i filtracji wody. Właściwości sorpcyjne ma mniejsze od węgla aktywnego, ale w procesie bierze udział cała objętość złoża, a nie tylko frakcja górna, węglowa, a proces jest odwracalny.. ACTIW Filter jest złożem regenerowanym, to znaczy że proces wiązania jonowego jest odwracalny przez regenerację odpowiednim roztworem - w najprostszej wersji może to być 5-10 % roztwór NaCl lub KCl. Po procesie regeneracji ACTIW Filter odzyskuje pełną sprawność sorpcyjną. Ma to szczególne znaczenie w usuwaniu NH₄ ⁺ , form azotowych NO₂, NO₃ , produktów reakcji chloru - THM. Omawiane złoże również bardzo szybko wpracowuje się do usuwania żelaza i manganu, a do przyspieszenia procesu można stosować aktywatory w postaci FeCl₂ lub MnO.

Podsumowanie:

• ACTIW Filter to złoże filtracyjne, które pozwala obniżyć koszty eksploatacji dzięki zmniejszeniu zużycia wody, energii elektrycznej i środków chemicznych.
• Zapewnia klarowanie wody do poziomu 1NTU.
• Jest atrakcyjny ekonomicznie w zakupie i eksploatacji  - wysoka odporność mechaniczna, termiczna i chemiczna.
• Do uzyskania wysokiej jakości wody wystarczy jako jedno medium - klarowanie, sorpcja, wymiana jonowa, kataliza.
• Usuwa z wody metale ciężkie, NH₄ i pierwiastki radioaktywne.
• Bardzo łatwa aplikacja - nie wymaga zmian technologicznych instalacji.
• Zapewniamy pełne wsparcie zarówno w procesie projektowym, jak i wdrażania i eksploatacji.                                      

Dostarczamy złoże w opakowaniach 20 kg(paleta 50 opak), bigbag lub cysterna przy bardzo dużych instalacjach.

Zapewniamy stałą dostępność produktu.

Pobierz ulotkę. 

Wyślij zapytanie:

Zapytaj o cenę i dostępność

grzegorz@actiw.pl tel. +48 71 321 86 91

e-mail: biuro@actiw.pl tel. +48 601 724 015

Sprawy techniczne doboru złoża Actiw Filter oraz złoża kwarcowego prowadzi

cezary@actiw.pl  tel. +48 666 606 203