Στοιχεία μεθόδων επεξεργασίας νερού

Transcript

1 Στοιχεία μεθόδων επεξεργασίας νερού Σύνταξη κειμένου: Βαγγέλης Φινδανής Αγρονόμος Τοπογράφος Μηχανικός MSc Γιώργος Πανανουδάκης Μηχανολόγος Μηχανικός ΤΕ MSc

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΡΟΚΙΔΩΣΗ... 4 Επιλογή του κροκιδωτικού υλικού... 5 Ανάμιξη της κροκιδωτικής ουσίας... 7 Σχεδιασμός μονάδων κροκίδωσης ΚΑΘΙΖΗΣΗ Ταχύτητα καθίζησης Θεωρία καθίζησης μεμονωμένων σωματιδίων Δεξαμενές καθίζησης ΔΙΥΛΙΣΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Ταχυδιυλιστήρια Φίλτρα ταχυδιυλιστηρίων Διυλιστήρια υπό πίεση Βραδυδιυλιστήρια ΑΠΟΛΥΜΑΝΣΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Απολύμανση με χλώριο Απολύμανση με όζον Απολύμανση με υπεριώδη ακτινοβολία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ Σελίδα 1

3 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συλλογή του πόσιμου νερού γίνεται από υδάτινα σώματα που συναντάμε στην φύση. Τα ύδατα αυτά είναι όμβρια, επιφανειακά, υπόγεια ή νερά πηγών. Αυτά τα φυσικά νερά μπορεί να περιέχουν αιωρούμενα και διαλυμένα ανόργανα συστατικά, οργανικά στερεά καθώς και μικροοργανισμούς. Οι ουσίες αυτές καθιστούν το νερό που συλλέγουμε από την φύση μη κατάλληλο λόγω του ότι δεν τηρεί τις βασικές υγειονομικές συνθήκες. Επομένως, για να είναι το συλλεγμένο νερό κατάλληλο προς πόση, πρέπει να υποστεί κάποια επεξεργασία ώστε εντέλει να καλύπτει όλες τις υγιεινολογικές και αισθητικές απαιτήσεις. Οι μέθοδοι αυτοί διακρίνονται σε καθαρά φυσικές (εσχάρωση, απλή καθίζηση), σε καθαρά χημικές (ανταλλαγή ιόντων, προσρόφηση) και σε φυσικοχημικές (διάσπαση ρύπων με χημικό τρόπο και απομάκρυνση τους με φυσικές διαδικασίες). Οι κύριες μέθοδοι επεξεργασίας είναι : 1.Η συμβατική πλήρης επεξεργασία 2.Η ευθεία διύλιση 3.Η εν σειρά διύλιση 4.Η υψηλού επιπέδου επεξεργασία 5.Η διύλιση δύο σταδίων Όλες οι παραπάνω μέθοδοι είναι συνδυασμός των τεσσάρων βασικών μεθόδων επεξεργασίας οι οποίες θα αναλυθούν στα επόμενα κεφάλαια και είναι οι εξής: κροκίδωση καθίζηση διύλιση απολύμανση Ακολουθούν σχηματικές αναπαραστάσεις των βασικών μεθόδων. Εικόνα 1.1: Εν σειρά διύλιση Σελίδα 2

4 Εικόνα 1.2 Συμβατική πλήρης επεξεργασία Εικόνα 1.2 Ευθεία διύλιση Εικόνα 1.1 Υψηλού επιπέδου επεξεργασία Σελίδα 3

5 Εικόνα 1.2 Διύλιση δύο σταδίων 2. ΚΡΟΚΙΔΩΣΗ Στο προς επεξεργασία νερό συνήθως περιέχονται λεπτόκοκκα υλικά τα οποία έχουν διαστάσεις μικρότερες από 10 μm. Λεπτόκοκκα υλικά είναι η άργιλος, η ιλύς, οργανικές και ανόργανες ουσίες και κολλοειδείς ουσίες. Τα υλικά αυτά δεν μπορούν να συγκρατηθούν από τις δεξαμενές καθίζησης καθώς έχουν πολύ μικρές ταχύτητες καθίζησης (πίνακας 2.1). Επίσης, τα λεπτόκοκκα σωματίδια συνήθως έχουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο με αποτέλεσμα να απωθούνται μεταξύ τους. Συνεπώς, για να απομακρυνθούν από το νερό πρέπει να συνενωθούν με την βοήθεια χημικών ουσιών που ονομάζονται κροκιδωτικά. Διάμετρος (μm) Ταχύτητα καθίζησης (m/h) Πίνακας 2.1 παρουσιάζεται η σχέση της διαμέτρου και της ταχύτητας καθίζησης Έπειτα, ως θρόμβωση ορίζουμε την χημική διαδικασία η οποία έχει ως στόχο την αδρανοποίηση του αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου των λεπτόκοκκων αιωρούμενων σωματιδίων έτσι ώστε να είναι δυνατή η συνένωση τους σε μεγαλύτερα σωματίδια με την διαδικασία της κροκίδωσης. Συγκεκριμένα, κροκίδωση καλείται η διαδικασία Σελίδα 4

6 κατά την οποία το υπό επεξεργασία νερό αναδεύεται με αργό ρυθμό ενώ προηγουμένως σε αυτό έχουν προστεθεί κροκιδωτικά. Η ανάδευση πραγματοποιείται ώστε η κροκιδωτική ουσία να διασκορπιστεί με ομοιογένεια στο νερό. Ο σκοπός της κροκίδωσης είναι η συνένωση των σωματιδίων σε κροκίδες. Στην εικόνα 2.2 παρουσιάζεται η κλίμακα κατάταξης των κροκίδων ανάλογα με το μέγεθός τους. Παραδείγματος χάριν, μια κροκίδα χαρακτηρίζεται ως μέσου μεγέθους, εάν οι διαστάσεις της κυμαίνονται από 1.5 μέχρι 2.25 mm. Εικόνα 2.2 η κλίμακα κατάταξης των κροκίδων Επιλογή του κροκιδωτικού υλικού Πριν από την μελέτη του έργου πρέπει να γίνει επιλογή του είδους των κροκιδωτικών ουσιών που θα χρησιμοποιηθούν στην επεξεργασία του νερού με την βοήθεια κατάλληλων ελέγχων. Βέβαια η εγκατάσταση θα πρέπει να είναι σχεδιασμένη με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι δυνατή η τροποποίηση της στο μέλλον στην περίπτωση που υπάρξουν αλλαγές στην ποιότητα του υπό επεξεργασία νερού ή στην περίπτωση που αλλάξει η τεχνολογία επεξεργασίας. Για μικρές μονάδες επεξεργασίας νερού που δέχονται εισροή μέχρι m 3 /ημέρα, μία κροκιδωτική ουσία είναι αρκετή στις περισσότερες περιπτώσεις. Εάν η εισροή γίνεται από ποτάμι, προβλέπεται η χρήση δύο διαφορετικών κροκιδωτικών ουσιών. Τέλος, για μεγάλες μονάδες επεξεργασίας νερού προβλέπεται συνήθως η χρήση τριών ή και τεσσάρων διαφορετικών κροκιδωτικών ουσιών. Οι σημαντικότερες κροκιδωτικές ουσίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία του πόσιμου νερού είναι τα άλατα του αργιλίου και του σιδήρου και οι πολυηλεκτρολύτες. Οι δυο πρώτες ομάδες ουσιών είναι Σελίδα 5

7 ανόργανες χημικές ενώσεις, δηλαδή δεν περιέχουν άνθρακα, ενώ οι πολυηλεκτρολύτες ανήκουν στις οργανικές ενώσεις. Το θειικό αργίλιο (alum) είναι το κροκιδωτικό που χρησιμοποιείται τις περισσότερες φορές στις μονάδες επεξεργασίας νερού. Αυτό διατίθεται είτε σε στερεή μορφή είτε σε υγρή. Σε στερεή μορφή έχει κρυσταλλική μορφή με χρώμα άσπρο-γκρίζο και διατίθεται σε διάφορες μορφές με πυκνότητα από 600 μέχρι 1100 kg/m 3. Αντίθετα, όταν χρησιμοποιείται σε υγρή μορφή μεταφέρεται διαμέσου σωλήνων από την μονάδα παρασκευής του στην μονάδα επεξεργασίας και αποθηκεύεται σε δεξαμενές. Το υγρό θειικό αργίλιο είναι πιο φθηνό από το στερεό. Το ph του υπό επεξεργασία νερού για τη χρήση του alum πρέπει να βρίσκεται μεταξύ 5.5 και 7.5 με συνήθη τιμή 7.0. Μια άλλη κατηγορία κροκιδωτικών είναι άλατα του σιδήρου όπως είναι ο χλωριούχος σίδηρος FeCl3, ο θειικός σίδηρος Fe2(SO4)3 και ο θειούχος σίδηρος FeSO4 τα οποία είναι πολύ οξειδωτικά υγρά. O θειικός σίδηρος προτιμάται σε σχέση με το χλωριούχο σίδηρο, επειδή η προσθήκη ιόντων χλωρίου στο υπό επεξεργασία νερό αυξάνει τη διαβρωτικότητά του. Τα άλατα του σιδήρου έχουν το πλεονέκτημα ότι παράγουν βαρύτερες κροκίδες σε σχέση με αυτές που παράγονται από το θειικό αργίλιο και ως εκ τούτου επιτυγχάνεται γρηγορότερη καθίζηση. Η χρήση τους όμως απαιτεί προσεκτικό έλεγχο, επειδή η ενδεχόμενη αυξημένη παρουσία σιδήρου στο πόσιμο νερό προκαλεί παράπονα από τους καταναλωτές πράγμα που δε συμβαίνει στην περίπτωση της αυξημένης παρουσίας του θειικού αργιλίου. Επίσης, εκτός από τις κροκιδωτικές ουσίες που αναφέραμε υπάρχουν και άλλες βοηθητικές ουσίες ο σκοπός των οποίων είναι να υποβοηθήσουνε την καθίζηση των κροκίδων. Οι σημαντικότερες είναι τα συνθετικά οργανικά πολυμερή. Πολυμερή καλούνται μακρομοριακές οργανικές ενώσεις οι οποίες αποτελούνται από επαναλαμβανόμενα άτομα συγκεκριμένης δομής, ώστε να δίνουν χαρακτηριστικές φυσικοχημικές ιδιότητες στο πολυμερές. Ανάλογα με το φορτίο του μεγαλομορίου μετά την υδρόλυσή του διακρίνονται σε κατιονικά, ανιονικά και ουδέτερα πολυμερή και για αυτό το λόγο ονομάζονται πολυηλεκτρολύτες. Επειδή συμβαίνουν πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα πολυμερή και στα σωματίδια και επειδή δεν είναι καθορισμένη με ακρίβεια η επίδραση της ποιότητας του νερού στις αλληλεπιδράσεις αυτές, η επιλογή του κατάλληλου πολυμερούς είναι καθαρά εμπειρική. Οι δόσεις των πολυμερών που προσθέτουμε στο νερό είναι πολύ μικρή σε αντίθεση με τις δώσεις των κύριων κροκιδωτικών. Η απαιτούμενη ποσότητα κροκιδωτικών ουσιών που θα χρησιμοποιηθεί στην μονάδα επεξεργασίας νερού προσδιορίζεται με δοκιμές κατά τις οποίες διάφορες ποσότητες προστίθενται σε δείγματα νερού. Μετά την ανάμιξη παρατηρείται η ταχύτητα καθίζησης και επιλέγεται η καταλληλότερη δόση του κροκιδωτικού μέσου η οποία μεγάλης σημασίας. Η μικρή δόση προκαλεί ανεπαρκή κροκίδωση, μικρή συγκράτηση στερεών στις δεξαμενές καθίζησης και γρήγορη έμφραξη του φίλτρου που ακολουθεί, ενώ μεγάλη δόση κροκιδωτικού έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση του στο επεξεργασμένο νερό σε υψηλές συγκεντρώσεις. Σελίδα 6

8 Ανάμιξη της κροκιδωτικής ουσίας Η ανάμειξη στο προς επεξεργασία νερό γίνεται με διάφορες μεθόδους. Η μέθοδος εξαρτάται από το μέγεθος της μονάδας καθαρισμού, τη μεταβολή της παροχής, το διαθέσιμο φορτίο και τον τύπο της κροκιδωτικής ουσίας. Παρακάτω παρουσιάζονται οι σημαντικότεροι μέθοδοι ανάμειξης. 1. Ανάμειξη με τυρβώδεις φλέβες Η ανάμειξη αυτού του τύπου παρουσιάζεται στην εικόνα 2.3. Το νερό, καθώς εξέρχεται από το σωλήνα προσαγωγής, δημιουργεί μια δέσμη νερού η οποία προσκρούει σε μια ακίνητη πλάκα, που βρίσκεται απέναντι. Έπειτα, το νερό προσκρούει σε δύο γειτονικές πλάκες με αποτέλεσμα να προκαλείται καλύτερη ανάμειξη. Εικόνα 2.3 Ταχεία ανάμειξη με τυρβώδεις φλέβες 2. Εν σειρά στατικοί ανάμεικτες (in-line static mixer) Οι στατικοί αναμείκτες (εικόνα 2.4) είναι τυποποιημένα εξαρτήματα που τοποθετούνται στο εσωτερικό του σωλήνα προσαγωγής του νερού. Ονομάζονται στατικοί, επειδή παραμένουν ακίνητοι. Λόγω της θέσης και της διαμόρφωσής τους επιφέρουν τύρβη με αποτέλεσμα το νερό να αναμιγνύετε αποτελεσματικά με το κροκιδωτικό μέσο. Τα εξαρτήματα αυτά είναι έτοιμα και στο εμπόριο υπάρχουν περίπου έξι διαφορετικοί τύποι. Σελίδα 7

9 Εικόνα 2.4 Εν σειρά στατικός αναμείκτης Τα πλεονεκτήματά τους είναι τα ακόλουθα: α. δεν έχουν κινούμενα μέρη και ως εκ τούτου δεν απαιτείται κατανάλωση ενέργειας. β. παρουσιάζουν λιγότερα προβλήματα εμφράξεων σε σχέση με τους αναμείκτεςαντλίες. Το μειονέκτημα τους είναι τα εξής: α. ο βαθμός ανάμειξης και ο χρόνος ανάμειξης είναι συνάρτηση της παροχής του νερού. β. επειδή είναι τυποποιημένα εξαρτήματα, ο μελετητής είναι υποχρεωμένος να δεχτεί τα χαρακτηριστικά που δίνει ο κατασκευαστής. 3. Εν σειρά μηχανικοί αναμείκτες (in-line mechanical mixer, in-line blender) Εκτός από τους στατικούς αναμείκτες υπάρχουν και μηχανικοί αναμείκτες (εικόνα 2.5). Οι μηχανικοί αναμίκτες τοποθετούνται στο εσωτερικό του σωλήνα προσαγωγής και κινούνται με τη βοήθεια ενός κινητήρα σε αντίθεση με τους στατικούς αναμίκτες. Οι αναμείκτες αυτού του τύπου έχουν το μειονέκτημα ότι για τη λειτουργία τους απαιτείται ενέργεια και το πλεονέκτημα ότι η ανάμειξη δεν εξαρτάται από τη παροχή του νερού. Μηχανικοί αναμείκτες χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο τα τελευταία χρόνια. Σελίδα 8

10 Εικόνα 2.5 Εν σειρά μηχανικοί αναμείκτες 4. Μηχανικός αναμείκτης (mechanical flash mixer) O μηχανικός αναμείκτης είναι ο πιο διαδεδομένος στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας πόσιμου νερού. Το χαρακτηριστικό του συστήματος αυτού είναι η ύπαρξη δεξαμενής μέσα στην οποία γίνεται η ανάμειξη. Ένας αναμείκτης αυτού του τύπου φαίνεται στην εικόνα 2.6. Εικόνα 2.6 Μηχανικός αναμείκτης τύπου προπέλας Σελίδα 9

11 O αναμείκτης της εικόνας 2.6 αποτελείται από έναν κατακόρυφο άξονα πάνω στον οποίο είναι στερεωμένα πτερύγια. Ο άξονας αυτός είναι τοποθετημένος μέσα σε μια μικρή δεξαμενή και περιστρέφεται με τη βοήθεια ενός κινητήρα. Το νερό εισέρχεται από πάνω αριστερό τμήμα της δεξαμενής, όπου και εισάγεται το κροκιδωτικό υλικό. Μετά την ανάμειξη το νερό εξέρχεται από το κάτω δεξιό μέρος της δεξαμενής. Παρ' όλο που οι αναμείκτες αυτού του τύπου έχουν μεγάλη εφαρμογή παρουσιάζουν αρκετά μειονεκτήματα. α. δεν μπορούν να επιτύχουν στιγμιαία ανάμειξη β. όταν ως κροκιδωτικά χρησιμοποιούνται μεταλλικά άλατα, ο χρόνος ανάμειξης είναι ακατάλληλος γ. κατά την ανάμειξη δημιουργούνται δευτερεύοντα ρεύματα δ. λαμβάνει χώρα επανανάμειξη η οποία επηρεάζει αρνητικά τη διαδικασία της κροκίδωσης Έχουν επίσης παρουσιαστεί μηχανικά προβλήματα στον περιστρεφόμενο άξονα και στον μηχανισμό περιστροφής. 5. Αναμείκτης-αντλία (pump mixer) Μια διάταξη ανάμειξης που υποβοηθάται από μία αντλία φαίνεται στην εικόνα 2.7. Μία αντλία είναι εφαρμοσμένη στο σωλήνα προσαγωγής του νερού που οδηγεί στο διυλιστήριο. Η αντλία αυτή αντλεί μια ποσότητα νερού και την οδηγεί στο παρακαμπτήριο σωλήνα. Το νερό του παρακαμπτηρίου σωλήνα αναμειγνύεται με το κροκιδωτικό υλικό και οδηγείται ξανά στον προσαγωγό σωλήνα. Η ισχύς της αντλίας μπορεί να μεταβληθεί με τη βοήθεια μίας ρυθμιστικής βαλβίδας. Οι αναμείκτες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται συνήθως σε μονάδες μεγάλης δυναμικότητας. Εικόνα 2.7 Ταχεία ανάμειξη με αντλία Σελίδα 10

12 6. Ανάμειξη με πλέγμα (grid mixer) Ένας αναμείκτης με πλέγμα συνηθώς τοποθετείται στο σωλήνα προσαγωγής ή στην είσοδο της δεξαμενής κροκίδωσης όπου και συμβαίνει η κροκίδωση. Καθώς το νερό διέρχεται από τις οπές του πλέγματος, δημιουργείται έντονη τύρβη με αποτέλεσμα να αναμειγνύεται το κροκιδωτικό μέσο με το νερό. Ο αναμείκτης αυτός δε χρησιμοποιείται, όταν το νερό περιέχει χονδρόκοκκα φερτά, διότι προκαλείται έμφραξη του πλέγματος. Σχεδιασμός μονάδων κροκίδωσης Μετά την προσθήκη της κροκιδωτικής ουσίας στο νερό και την ταχεία ανάμειξη, το νερό κατευθύνεται στην μονάδα κροκίδωσης. Μια μονάδα κροκίδωσης αποτελείται από μια δεξαμενή χωρισμένη σε επιμέρους διαμερίσματα, όπου το νερό υφίσταται ξανά ανάμειξη για τη δημιουργία κροκίδων μεγάλων διαστάσεων. Η ανάμειξη είναι συνεχής αλλά αργή, για να αποφεύγεται η καταστροφή των δημιουργούμενων κροκίδων. Κατά το σχεδιασμό μιας μονάδας κροκίδωσης, πρέπει να ληφθούν υπόψη οι ακόλουθοι παράγοντες. 1. η ποιότητα του ανεπεξέργαστου νερού 2. η μέθοδος επεξεργασίας του νερού και η απαιτούμενη ποιότητα του επεξεργασμένου νερού 3. το διαθέσιμο υδραυλικό φορτίο και οι μεταβολές της παροχής στη μονάδα επεξεργασίας 4. το κόστος Παρακάτω αναπτύσσονται λεπτομερέστερα οι παράγοντες αυτοί. 1. Καταρχήν ο μελετητής θα πρέπει να έχει στη διάθεσή του μετρήσεις της ποιότητας του ανεπεξέργαστου νερού για μια περίοδο τουλάχιστον 5 ετών. Οι μετρήσεις πρέπει να αφορούν τη θολότητα, τα ολικά οργανικά, το ph, την αλκαλικότητα, το χρώμα, τη συγκέντρωση των αλγών και τη θερμοκρασία. Η φύση των κολλοειδών και ιδιαίτερα των οργανικών καθώς και η κατανομή των διαστάσεων των σωματιδίων της θολότητας είναι πολύ χρήσιμα στοιχεία, επειδή επηρεάζουν σημαντικά τη διαδικασία της κροκίδωσης. Αν δεν υπάρχουν μετρήσεις για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα, τότε απαιτούνται μετρήσεις των παραπάνω παραμέτρων τουλάχιστον για ένα χρόνο ή για μια ξηρή και υγρή περίοδο. 2. Η μέθοδος επεξεργασίας του νερού και η απαιτούμενη ποιότητα του επεξεργασμένου νερού είναι ο δεύτερος σημαντικότερος παράγοντας για το σχεδιασμό της μονάδας κροκίδωσης. Για παράδειγμα, όταν η μέθοδος επεξεργασίας είναι η ευθεία διύλιση, η μονάδα κροκίδωσης δεν πρέπει να παράγει μεγάλες κροκίδες, επειδή στη μέθοδο αυτή δεν υπάρχει δεξαμενή καθίζησης για να Σελίδα 11

13 συγκρατηθούν. Αντίθετα, οι κροκίδες θα πρέπει να έχουν τέτοια χαρακτηριστικά, ώστε να είναι δυνατή η συγκράτηση τους στο φίλτρο. Δηλαδή, ο τύπος και οι δυνατότητες του φίλτρου επηρεάζουν σημαντικά τον τύπο της κροκίδωσης. Στη συμβατική πλήρη επεξεργασία οι παραγόμενες κροκίδες θα πρέπει να έχουν μεγάλη δυνατότητα καθίζησης στη δεξαμενή καθίζησης έτσι ώστε η θολότητα του νερού στην είσοδο του φίλτρου να είναι μικρότερη από 5 ntu. Η απαιτούμενη ποιότητα του επεξεργασμένου νερού επηρεάζει επίσης τη διαδικασία κροκίδωσης. Μια καλή διαδικασία κροκίδωσης και καθίζησης μπορεί να μειώσει σημαντικά τη συγκέντρωση των τριαλομεθανίων, των αλγών και μερικών τοξικών μετάλλων στο επεξεργασμένο νερό. 3. Αν το διαθέσιμο υδραυλικό φορτίο είναι μικρό, τότε η υδραυλική κροκίδωση αποκλείεται και επιλέγεται η μηχανική με την οποία προστίθεται ενέργεια στο σύστημα από έναν κινητήρα. Αν οι μεταβολές της παροχής σε ετήσια βάση είναι μικρές (± 50 % από τη μέση ημερήσια παροχή), τότε η υδραυλική κροκίδωση μπορεί να εφαρμοστεί με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Άλλοι παράγοντες, που παίζουν ρόλο στην αποτελεσματική κροκίδωση, είναι τα υδραυλικά χαρακτηριστικά της δεξαμενής, η αποφυγή δευτερευόντων ρευμάτων κατά την ανάμειξη και η δημιουργία αποτελεσματικής τύρβης και δινών στη δεξαμενή. Τα τελευταία χρόνια, η προοζόνωση χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο με στόχο την αποφυγή δημιουργίας τριαλομεθανίων στο πόσιμο νερό. Το όζον εκτός από την οξειδωτική του ικανότητα έχει τη δυνατότητα κροκίδωσης ορισμένων οργανικών και ανόργανων ουσιών με αποτέλεσμα η κροκίδωση να γίνεται περισσότερο αποτελεσματική, όταν προηγείται προοζόνωση. 3. ΚΑΘΙΖΗΣΗ Καθίζηση είναι η διαδικασία κατά την οποία τα αιρούμενα στερεά του νερού κατακάθονται εξαιτίας της βαρύτητας. Το φαινόμενο της καθίζησης είναι ένα σημαντικό στάδιο στην επεξεργασία του νερού και λαμβάνει χώρα μέσα σε ειδικές δεξαμενές οι οποίες ονομάζονται δεξαμενές καθίζησης. Είναι δυνατόν να διακριθούν τρεις τύποι καθίζησης ανάλογα με το είδος των αιρουμένων σωματιδίων και τη συγκέντρωσή τους: 1. Καθίζηση μεμονωμένων σωματιδίων (καθίζηση τύπου 1). Στην περίπτωση αυτή η συγκέντρωση των σωματιδίων είναι μικρή με αποτέλεσμα να καθιζάνουν χωρίς να αλληλεπιδράνε μεταξύ τους. Η καθίζηση μεμονωμένων σωματιδίων συναντάται στους εξαμμωτές των μονάδων επεξεργασίας λυμάτων. 2. Καθίζηση με κροκίδωση (καθίζηση τύπου 2). Στην περίπτωση αυτή τα γειτονικά σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους δια μέσου του μηχανισμού της κροκίδωσης. Με αυτόν τον τρόπο τα σωματίδια συνενώνονται σε μεγαλύτερα με αποτέλεσμα να καθιζάνουν ταχύτερα. Αυτού του είδους η καθίζηση συναντάται Σελίδα 12

14 στις δεξαμενές καθίζησης του πόσιμου νερού, όπου προηγουμένως έχει γίνει προσθήκη κροκιδωτικού υλικού. 3. Εμποδισμένη καθίζηση (καθίζηση τύπου 3). Σε αυτή την περίπτωση η συγκέντρωση των σωματιδίων στο νερό είναι μεγάλη και τα σωματίδια είναι πολύ κοντά ώστε τα πεδία των ταχυτήτων που δημιουργούνται γύρω από αυτά να αλληλοκαλύπτονται. Έτσι καθώς καθιζάνουν αναγκάζουν το νερό που βρίσκεται γύρω τους να κινηθεί προς τα πάνω. Στην περίπτωση αυτή η ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων είναι μικρή και το φαινόμενο ονομάζεται εμποδισμένη καθίζηση. Επίσης, είναι δυνατόν η συγκέντρωση των σωματιδίων να είναι τόσο υψηλή, ώστε ολόκληρη η αιωρούμενη μάζα των σωματιδίων να καθιζάνει ως ένα σώμα. Παραδείγματος χάριν, η εμποδισμένη καθίζηση συναντάται στα συστήματα πάχυνσης της λάσπης. Ταχύτητα καθίζησης Πρώτο βήμα για να κατανοήσουμε την καθίζηση είναι να μελετήσουμε τις δυνάμεις που ασκούνται σε ένα μεμονωμένο σφαιρικό σωματίδιο καθώς αυτό καθιζάνει. Σε αυτό το σωματίδιο ασκούνται τρεις δυνάμεις: η άνωση F b, η αντίσταση F f (οπισθέλκουσα) και το βάρος του F s (εικόνα 3.1). Εικόνα 3.1 Ένα σφαιρικό σωματίδιο καθιζάνει με σταθερή ταχύτητα Τα μέτρα αυτών των τριών δυνάμεων δίνονται από τις εξισώσεις: 3 dp Fs V pg pg 6 3 dp Fb V wg wg us 2 us Ff CDAp w CDdp w 2 8 Σελίδα 13

15 όπου: V ο όγκος του σωματιδίου dp η διάμετρος του σωματιδίου ρp και ρw οι τιμές της πυκνότητας του σωματιδίου και του νερού CD ο συντελεστής αντίστασης του σωματιδίου us η ταχύτητα καθίζησης Όταν το σωματίδιο έχει αποκτήσει σταθερή ταχύτητα us ισχύει πως η συνισταμένη των δυνάμεων που ενεργούν σε αυτό ισούται με μηδέν. Δηλαδή F 0 F F F 0 s b f dp dp 2 us pg wg CDdp w g 1 d p p 4 w u s= (1) 3 CD Ο συντελεστής αντίστασης δίνεται από την σχέση 24 3 CD 0.34 (2) Re Re όπου Re ο αριθμός Reynolds. Ο αριθμός Reynolds στην περίπτωση της καθίζησης μεμονωμένων σωματιδίων δίνεται από την σχέση p s Re (3) Για τιμές του αριθμού Re<0.3 η σχέση (1) ανάγεται στον νόμο του Stokes: du u s g 1 d 18 p 2 p w Για μεγάλες τιμές του αριθμού Reynolds (πχ για Re>2000) η σχέση (1) ανάγεται στην εξίσωση b us 3.3g 1 dp w Σελίδα 14

16 Η ταχύτητα καθίζησης των κροκιδωμένων σωματιδίων δεν μπορεί να υπολογιστεί από τους τύπους που ισχύουν για τα μεμονωμένα σωματίδια και η μόνη λύση για την αντιμετώπιση του προβλήματος είναι η μέτρηση της ταχύτητας. Παρακάτω δίνονται μερικές ενδεικτικές ταχύτητες καθίζησης κροκίδων που δημιουργούνται στο πόσιμο νερό. Τύπος κροκίδας Ταχύτητα καθίζησης mm/min μικρή εύθραυστη κροκίδα θειικού αργιλίου κροκίδα θειικού αργιλίου μέσου μεγέθους μεγάλη κροκίδα θειικού αργιλίου κροκίδα ασβέστη μεγάλου βάρους Πίνακας 3.1 σχέση τύπου κροκίδας και ταχύτητας καθίζησης Θεωρία καθίζησης μεμονωμένων σωματιδίων Παρακάτω αναπτύσσεται σύντομα η θεωρία της καθίζησης των μεμονωμένων σωματιδίων σε μια ιδανική δεξαμενή καθίζησης ορθογωνικού τύπου (εικόνα 5.2). Εικόνα 3.2 Η ιδανική δεξαμενή καθίζησης Στην δεξαμενή διακρίνουμε 4 ζώνες: την ζώνη εισόδου, την ζώνη εξόδου, την ζώνη καθίζησης και την ζώνη λάσπης. Τα σωματίδια εισέρχονται στην ζώνη καθίζησης αφού πρώτα έχουν αποκτήσει οριζόντια ταχύτητα Vhor στην ζώνη εισόδου. Στην ζώνη καθίζησης αυτά εκτελούν οριζόντια κίνηση με ταχύτητα Vhor και κατακόρυφη κίνηση με ταχύτητα Vver. Έπειτα, στην άκρη της δεξαμενής υπάρχει η ζώνη εξόδου, όπου το νερό κινείται ανοδικά προς την υπερχείλιση. Τέλος, στον πυθμένα της δεξαμενής υπάρχει η ζώνη της λάσπης, όπου φτάνουν όσα σωματίδια συγκρατούνται στη δεξαμενή. Στην ιδεατή καθίζηση των μεμονωμένων σωματιδίων θεωρείται ότι τα σωματίδια καθιζάνουν με σταθερή ταχύτητα. Η οριζόντια ταχύτητα με την οποία κινούνται τα σωματίδια στην ζώνη καθίζησης είναι ίση με την ταχύτητα του νερού. Έτσι Σελίδα 15

17 V hor Q Bh όπου h και Β το βάθος και το πλάτος της δεξαμενής αντίστοιχα. Επίσης ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα σωματίδια που ξεκινάνε την καθίζηση τους από το σημείο Α της ελεύθερης επιφάνειας και καθιζάνουν στο σημείο Β. Τα σωματίδια αυτά διαγράφουν την διαδρομή ΑΒ και η κατακόρυφη ταχύτητα τους ονομάζεται κρίσιμη ταχύτητα καθίζησης Vc. Είναι φανερό πως για την κρίσιμη ταχύτητα καθίζησης ισχύει όπου L το μήκος της ζώνης καθίζησης. Η κρίσιμη ταχύτητα καθίζησης είναι σημαντικό μέγεθος για τον ακόλουθο λόγο: όποιο σωματίδιο έχει ταχύτητα κατακόρυφη ταχύτητα από την κρίσιμη ταχύτητα καθίζησης (Vver>Vc) σίγουρα θα καθιζάνει στην ζώνη λάσπης. Αντίθετα, εάν ένα σωματίδιο ξεκινήσει την διαδρομή του από το σημείο Α και έχει κατακόρυφη ταχύτητα μικρότερη από την κρίσιμη ταχύτητα καθίζησης (Vver<Vc) δεν θα φτάσει στην ζώνη καθίζησης και θα απομακρυνθεί από την δεξαμενή διαμέσου της υπερχείλισης. Αν όμως ένα σωματίδιο με κατακόρυφη ταχύτητα μικρότερη της κρίσιμης εισέλθει στην ζώνη καθίζησης χαμηλότερα από το σημείο Α τότε δεν είναι βέβαιο το αν θα εισέλθει στην ζώνη λάσπης. Αυτό κρίνεται την θέση του κατά την εισροή του στην ζώνη καθίζησης και από την κατακόρυφη ταχύτητα του. Η θεωρία που αναλύσαμε παραπάνω αφορά μόνο την καθίζηση τύπου 1. Παρ' όλο που η συγκεκριμένη θεωρία είναι σαφής, δεν έχει άμεση εφαρμογή στο σχεδιασμό των δεξαμενών καθίζησης του πόσιμου νερού όπου λαμβάνει χώρα καθίζηση τύπου 2. Παρ όλα αυτά η θεωρία καθίζησης μεμονωμένων σωματιδίων είναι χρήσιμη, επειδή αποτελεί βάση για το σχεδιασμό των εγκαταστάσεων αυτών. Δεξαμενές καθίζησης Vc h h Vc V hor V L L Παραπάνω μελετήσαμε την ιδανική δεξαμενή καθίζησης στην οποία λαμβάνει χώρα η καθίζηση τύπου 1. Στην πράξη οι δεξαμενές καθίζησης έχουν διαφορετικές διαστάσεις, σχήματα και άλλα διαφέρουν στον τρόπο λειτουργίας τους. Συνοπτικά η διάκριση των διαφορετικών δεξαμενών καθίζησης μπορεί να γίνει: α. ανάλογα με το σχήμα τους, σε ορθογωνικές ή κυκλικές hor Q V c (4) BL β. ανάλογα με την κατεύθυνση ροής του νερού, σε οριζόντιας ή ανοδικής ροής γ. ανάλογα με το πού γίνεται η κροκίδωση, σε απλής καθίζησης ή κροκίδωσης και καθίζησης. Σελίδα 16

18 Εικόνα 3.3 διάφοροι τύποι δεξαμενών καθίζησης Στην εικόνα 3.3 φαίνονται διάφοροι τύποι δεξαμενών καθίζησης. Η πρώτη είναι μία ορθογωνική δεξαμενή οριζόντιας ροής. Στη δεύτερη δεξαμενή το ανεπεξέργαστο νερό εισέρχεται στο κέντρο της δεξαμενής και συγκεντρώνεται στο περιφερειακό κανάλι. Έτσι αυτή η δεξαμενή είναι μία κυκλική δεξαμενή οριζόντιας ακτινικής ροής. Η τρίτη δεξαμενή λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο, όπως η προηγούμενη. Δηλαδή, η τρίτη δεξαμενή είναι μία τετραγωνική δεξαμενή οριζόντιας ακτινικής ροής. Η τέταρτη είναι μία κυκλική δεξαμενή οριζόντιας ακτινικής ροής με τροφοδοσία από το εξωτερικό περιφερειακό κανάλι. Σελίδα 17

19 Εικόνα 3.4 τομή μίας ορθογωνικής δεξαμενής οριζόντιας ροής. Στην εικόνα 3.4 παρουσιάζεται η λειτουργία μίας ορθογωνικής δεξαμενής οριζόντιας ροής. Το νερό εισέρχεται στο θάλαμο εισόδου και από εκεί κινείται προς το άλλο άκρο της δεξαμενής διερχόμενο από ένα διάτρητο διάφραγμα. Κατά μήκος της δεξαμενής κινείται ο αποξέστης της λάσπης, ο οποίος ωθεί τη λάσπη του πυθμένα στη χοάνη συγκέντρωσης από όπου απομακρύνεται. Οι παράμετροι σχεδιασμού των ορθογωνικών δεξαμενών καθίζησης είναι οι εξής: Επιφανειακό φορτίο m 3 /h/m 2 Βάθος νερού 3-5 m Χρόνος παραμονής h Μήκος/πλάτος >4: 1 (επιθυμητή τιμή 6:1) Πλάτος/βάθος νερού <6: 1 (επιθυμητή τιμή 3:1) Μήκος/βάθος νερού >15: 1 Πίνακας 3.2 παράμετροι σχεδιασμού ορθογωνικών δεξαμενών καθίζησης Τα πλεονεκτήματα των ορθογωνικών δεξαμενών οριζόντιας ροής είναι τα ακόλουθα: α. η υδραυλική σταθερότητα β. η δυνατότητα να επεξεργάζονται νερό με μεγάλες εξάρσεις στη συγκέντρωση των φερτών γ. η λειτουργία τους είναι απλή και αξιόπιστη δ. μπορούν να δεχτούν παροχή διπλάσια της παροχής σχεδιασμού χωρίς σημαντική πτώση της ποιότητας του εξερχόμενου νερού ε. μπορούν να τοποθετηθούν σε αυτές κεκλιμένοι σωλήνες ή κεκλιμένες πλάκες, για την αύξηση της απόδοσης Σελίδα 18

20 στ. έχουν μικρό κόστος συντήρησης Αντίθετα, τα μειονεκτήματά τους είναι τα εξής: α. η απαίτηση για προσεκτικό σχεδιασμό των σημείων εισόδου και εξόδου του νερού β. συνήθως απαιτείται ξεχωριστή δεξαμενή κροκίδωσης Παρατηρούμε πως οι ορθογωνικές δεξαμενές οριζόντιας ροής παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα και μικρό αριθμό μειονεκτημάτων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η χρήση των ορθογωνικών δεξαμενών οριζόντιας ροής να είναι η πιο κοινή λύση με μεγάλες μονάδες επεξεργασίας νερού. Εικόνα 3.5 εγκάρσια τομή μίας κυκλικής δεξαμενής ακτινικής-ανοδικής κατεύθυνσης Έπειτα, στην εικόνα 3.5 φαίνεται σε εγκάρσια τομή μία κυκλική δεξαμενή ακτινικήςανοδικής ροής. Η είσοδος του νερού γίνεται στο κέντρο της δεξαμενής με κατεύθυνση από πάνω προς τα κάτω. Στην περιφέρεια της δεξαμενής υπάρχει κανάλι συλλογής του νερού. Καθώς το νερό κινείται ανοδικά προς το περιφερειακό κανάλι αντιτίθεται στην καθοδική κίνηση των σωματιδίων προς τον πυθμένα. Γι αυτό το λόγο, η ταχύτητα ανόδου του νερού θα πρέπει να είναι μικρότερη από την ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων. Συνήθως, οι κυκλικές και τετραγωνικές δεξαμενές καθίζησης έχουν πυθμένα ελαφρά κωνικό και στο κέντρο υπάρχει φρεάτιο συγκέντρωσης της λάσπης. Ο πυθμένας σαρώνεται από ένα περιστρεφόμενο ξέστρο, το οποίο παρασύρει τη λάσπη στο κέντρο της δεξαμενής, από όπου απομακρύνεται. Μια κυκλική δεξαμενή καθίζησης με κωνικό πυθμένα και ξέστρο απομάκρυνσης της λάσπης παρουσιάζεται στην εικόνα 3.6 σε τομή και σε κάτοψη. Οι παράμετροι σχεδιασμού των κυκλικών ή τετραγωνικών δεξαμενών καθίζησης με ακτινική-ανοδική ροή είναι οι ακόλουθοι: Επιφανειακό φορτίο m 3 /h/m 2 Βάθος νερού Χρόνος καθίζησης Φορτίο περιφερειακού καναλιού 3-5 m 1-3 h 7 m 3 /h/m Πίνακας 3.3 παράμετροι σχεδιασμού δεξαμενών καθίζησης με ακτινική-ανοδική ροή Σελίδα 19

21 Τα πλεονεκτήματα των παραπάνω δεξαμενών είναι τα εξής: α. είναι οικονομικές κατασκευές λόγω γεωμετρίας και μικρού όγκου (ο κύκλος έχει την μικρότερη περιφέρεια για δεδομένο εμβαδόν). β. η απομάκρυνση της λάσπης είναι απλή γ. έχουν μεγάλη απόδοση Τα μειονεκτήματά τους είναι τα εξής: α. δημιουργούνται προβλήματα στη λειτουργία τους λόγω βραχυκύκλωσης της ροής (short-circuiting) β. δεν μπορούν να ανταποκριθούν σε μεγάλες εξάρσεις της παροχής και της συγκέντρωσης των φερτών γ. απαιτούν μεγαλύτερη προσοχή στη λειτουργία τους δ. υπάρχει περιορισμός ως προς τις μέγιστες διαστάσεις τους (δεν είναι πρακτική η κατασκευή κυκλικών δεξαμενών με πολύ μεγάλες διαμέτρους). Εικόνα 3.6 η κάτοψη και η τομή μίας κυκλικής δεξαμενής καθίζησης με κωνικό πυθμένα Σελίδα 20

22 Οι κυκλικές δεξαμενές χρησιμοποιούνται κυρίως σε μονάδες επεξεργασίας πόσιμου νερού μικρής και μεσαίας δυναμικότητας και συνιστώνται, όταν η παροχή και η ποιότητα του ανεπεξέργαστου νερού είναι σχετικά σταθερή γιατί, όπως προαναφέρθηκε, δεν ανταποκρίνονται σε μεγάλες εξάρσεις της παροχής και της συγκέντρωσης των φερτών. 4. ΔΙΥΛΙΣΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Διύλιση είναι ουσιαστικά το φιλτράρισμα του νερού αναγκάζοντας το να περάσει δια μέσου ενός πορώδους υλικού. Η διαδικασία αυτή αποτελείται κυρίως από δύο στάδια: αυτό της μεταφοράς των σωματιδίων στην επιφάνεια κόκκων του υλικού και αυτό της προσκόλλησης. Οι παραπάνω διαδικασίες επηρεάζονται από διάφορους παράγοντες όπως η χημική σύσταση του νερού και αφορούν τις διαδικασίες κροκίδωσης και καθίζησης που αναφέραμε προηγουμένως. Γενικά πρέπει να τονιστεί ότι η επιλογή του κατάλληλου φίλτρου είναι συχνά θέμα εμπειρίας. Τα διυλιστήρια χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες, τα ταχυδιυλιστήρια και τα βραδυδιυλιστήρια (ανάλογα με την ταχύτητα διύλισης), και σε επιμέρους υποκατηγορίες που αφορούν τις στρώσεις του υλικού του φίλτρου, την κατεύθυνση κίνησης του νερού στο φίλτρο, και την πίεση υπό την οποία βρίσκεται το νερό στο φίλτρο. Ταχυδιυλιστήρια Τα κύρια μέρη ενός ταχυδιυλιστηρίου (εικόνα 4.1) είναι η δεξαμενή (που συνήθως είναι κατασκευασμένη από σκυρόδεμα), το φίλτρο, το κανάλι εισαγωγής του νερού, το κανάλι του νερού πλύσης και το κανάλι εξόδου το φιλτραρισμένου νερού. Σελίδα 21

23 Εικόνα 4.1 παρουσιάζονται τα βασικά μέρη ενός ταχυδιυλιστηρίου Η διαδικασία διύλισης έχει ως εξής: το προς διύλιση νερό εισέρχεται στο κανάλι εισόδου που βρίσκεται στο πάνω αριστερό τμήμα της μονάδας και δια μέσου της βαλβίδας που βρίσκεται στην βάση του καναλιού εισέρχεται στον χώρο του φίλτρου. Το νερό μετά την διέλευση του δια μέσου του φίλτρου συγκεντρώνεται στην βάση της δεξαμενής και από εκεί με ένα σωλήνα οδηγείται στην κατανάλωση. Ο καθαρισμός του φίλτρου είναι πολύ σημαντικός στην εύρυθμη λειτουργία του, καθώς ένα φίλτρο που δεν καθαρίζεται τακτικά, αυξάνει την πτώση πίεσης στο δίκτυο, και δεν φιλτράρει επαρκώς το προς κατανάλωση νερό. Ο καθαρισμός γίνεται κατά κύριο τρόπο με ανάστροφη ροή του νερού στο φίλτρο. Ανάλογα με το υλικό και την διάταξη του φίλτρου, αλλά και τις συνθήκες λειτουργίας του, υπάρχουν διάφορες μέθοδοι καθαρισμού. 1. Αντίστροφη ροή νερού στο φίλτρο. 2. Αντίστροφη ροή μείγματος αέρα και νερού στο φίλτρο. 3. Αντίστροφη ροή διαδοχικά αέρα και νερού. 4. Επιφανειακός καθαρισμός φίλτρου. 5. Αυτοκαθαριζόμενα φίλτρα. Οι ενδείξεις για το ότι ένα φίλτρο πρέπει να καθαριστεί είναι η μεγάλη απώλεια φορτίου πιέσεως, ο μεγάλος χρόνος διύλισης και η αυξημένη θολότητα του διυλισμένου νερού. Φίλτρα ταχυδιυλιστηρίων Τα φίλτρα των ταχυδιυλιστηρίων αποτελούνται συνήθως από άμμο, ανθρακίτη και garnet (σειρά από ορυκτά όπως ο αλμαντίτης, αντρατίτης, γκροσσουλαρίτης). Τα υλικά των φίλτρων τοποθετούνται σε στρώσεις, και πρέπει να έχουν στο πάνω μέρος χονδρόκοκκο υλικό (ώστε να συγκρατούνται οι κροκίδες μεγάλων διαστάσεων), και Σελίδα 22

24 στο κάτω μέρος μικρόκοκκο υλικό (ώστε να συγκρατούνται τα σωματίδια μικρών διαστάσεων). Πρέπει δηλαδή να μειώνεται η διάμετρος των κόκκων κατά την ροή του νερού. Πολύ σημαντικό ρόλο για την λειτουργία των φίλτρων παίζουν τα χαρακτηριστικά των κόκκων, όπως το μέγεθος, η μορφή, η πυκνότητα, η σκληρότητα και το πορώδες τους. Αυτά τα χαρακτηριστικά εκφράζονται με δύο παραμέτρους. Το ενεργό μέγεθος (ES), που είναι το μέγεθος των οπών του κόσκινου που περνάει το 10% του δείγματος κατά βάρος (d10). Και ο συντελεστής ομοιομορφίας (UC) οπού είναι ο λόγος d60 / d10 όπου d60 το μέγεθος των οπών του κόσκινου που περνάει το 60% του δείγματος κατά βάρος. Από τα παραπάνω πρέπει να σημειωθεί ότι τα φίλτρα τριών στρώσεων εξασφαλίζουν αποτελεσματική διύλιση με μεγάλο χρόνο λειτουργιάς των φίλτρων μεταξύ των καθαρισμών. Όμως απαιτείται η προσθήκη πολυμερούς ως βοηθητικό της διύλισης. Τα φίλτρα δύο στρώσεων είναι επίσης πολύ αποτελεσματικά με μεγάλη ταχύτητα διύλισης, και γι αυτό και είναι τα πιο διαδεδομένα. Για την εποπτεία της λειτουργίας του ταχυδιυλιστηρίου χρησιμοποιούνται διάφορες συσκευές που μας δίνουν μια εικόνα της κατάστασης του συστήματος αλλά και μας δείχνουν πότε τα φίλτρα πρέπει να καθαριστούν. Αυτές είναι το θολόμετρο, ο μετρητής πλήθους και μεγέθους των σωματιδίων (δίνει πληροφορίες για το πλήθος και τις διαστάσεις σωματιδίων βοηθώντας στον έλεγχο ύπαρξης ιών και βακτηρίων στο νερό), ο μετρητής ph (ανιχνεύει την πιθανότητα διάβρωσης και προειδοποιεί έγκαιρα για άλλα προβλήματα στην λειτουργία του φίλτρου) και συσκευές μέτρησης πιεζομετρικού φορτίου. Διυλιστήρια υπό πίεση Τα διυλιστήρια υπό πίεση είναι ταχυδιυλιστήρια μέσα σε κυλινδρικούς λέβητες. Επίσης έχουν την ίδια διάταξη και το ίδιο υλικό φίλτρου με τα συμβατικά φίλτρα βαρύτητας. Το νερό διοχετεύεται στο φίλτρο με πίεση χωρίς να προηγηθεί ανάμειξη κροκίδωση και καθίζηση. Το κροκιδωτικό υλικό προστίθεται με την είσοδο του νερού στο φίλτρο. Τα πλεονεκτήματα των φίλτρων υπό πίεση είναι: Το νερό διοχετεύεται με πίεση οπότε αποκλείεται η πιθανότητα δημιουργίας υποπιέσεων. Σελίδα 23

25 Μπορούν να συνδεθούν απευθείας σε σειρά σε έναν αγωγό χωρίς να χρειαστεί να διακοπεί η ροή και να χαθεί η διαθέσιμη πίεση του δικτύου όπως στα ανοιχτά φίλτρα. Οι απώλειες πίεσης δια μέσου του φίλτρου αυτού είναι μόνο 3m. Τα μειονεκτήματα των φίλτρων υπό πίεση είναι: Αδυναμία του χρήστη να παρακολουθεί το φίλτρο κατά την λειτουργία και τον καθαρισμό του. Η διάρκεια της διύλισης είναι μεγαλύτερη από αυτή ενός φίλτρου βαρύτητας. Οι μονάδες αυτές χρησιμοποιούνται κυρίως σε μικρές κοινότητες, βιομηχανίες, πισίνες κλπ. Βραδυδιυλιστήρια Η κύρια διαφορά των βραδυδιυλιστηρίων είναι η ταχύτητα διύλισης αφού μπορεί να είναι μέχρι και 20 φορές μικρότερη των ταχυδιυλιστηρίων. Η βασική κατασκευή ενός βραδυδιυλιστηρίου είναι μία δεξαμενή από σκυρόδεμα ή χωμάτινη με στεγνωτικό υλικό, μέσα στην οποία εδράζεται το φίλτρο. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των βραδυδιυλιστηρίων είναι η παρουσία στην επιφάνεια του φίλτρου μιας λεπτής στρώσης που ονομάζεται schmutzdecke. Το στρώμα αυτό είναι μια ζελατινώδης μάζα, βιολογικά ενεργή, που περιέχει ποικιλία μικροοργανισμών. Η δράση του είναι σημαντική αφού βοηθάει στην απομάκρυνση των παθογόνων μικροοργανισμών και της οργανικής ύλης, καθώς και στην μείωση της θολότητας του νερού. Πλεονεκτήματα: 1. Κατασκευάζονται εύκολα και έχουν απλή λειτουργία. 2. Είναι αξιόπιστα και παράγουν νερό καλής ποιότητας. 3. Δεν απαιτείται ειδικά εκπαιδευμένο προσωπικό για την λειτουργία τους. 4. Οι απαιτήσεις σε ενέργεια για την λειτουργία τους είναι μικρές. 5. Δεν απαιτείται συχνός καθαρισμός. Μειονεκτήματα: 1. Για την κατασκευή τους απαιτείται μεγάλη έκταση γης και το κόστος κατασκευής είναι υψηλό. 2. Τα φίλτρα φράζουν όταν το νερό περιέχει υψηλό ποσοστό αλγών. 3. Η ποιότητα του νερού μειώνεται όταν δεν υπάρχει συνεχής λειτουργία, λόγο της δημιουργίας αναερόβιων συνθηκών στο φίλτρο της άμμου. Τα βραδυδιυλιστήρια χρησιμοποιούνται κυρίως όταν: 1. Το νερό παρουσιάζει μέτρια ρύπανση και χαμηλή θολότητα. 2. Υπάρχει έλλειψη ανθρώπινου δυναμικού για την λειτουργία ταχυδιυλιστηρίου 3. Υπάρχει φτηνό εργατικό δυναμικό για την κατασκευή και λειτουργία του. 4. Στην περιοχή δεν είναι εύκολη η προμήθεια χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται σε άλλου είδους μονάδες. Σελίδα 24

26 5. ΑΠΟΛΥΜΑΝΣΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Απολύμανση του νερού ονομάζεται η διαδικασία καταστροφής των μικροβίων που περιέχονται σε αυτό ώστε να είναι ασφαλές για τις απαραίτητες χρήσεις (πόση, καθαριότητα κλπ). Οι μικροοργανισμοί που βρίσκονται στο νερό κι είναι επικίνδυνοι για την υγεία είναι τα βακτηρίδια, οι ιοί και τα πρωτόζωα, με τα τελευταία να παρουσιάζουν την μεγαλύτερη αντίσταση στα απολυμαντικά. Οι απολυμαντικές ουσίες οι οποίες χρησιμοποιούνται για την απολύμανση του νερού είναι οι εξής: 1. χλώριο 2. υπεριώδη ακτινοβολία 3. όζον 4. υποχλωριώδες νάτριο 5. υποχλωριώδες ασβέστιο 6. διοξείδιο του χλωρίου 7. χλωραμίνες Οι τρεις πρώτες κατηγορίες είναι αυτές με την ευρύτερη χρήση. Απολύμανση με χλώριο Το χλώριο είναι ένα πρασινοκίτρινο αέριο, το οποίο έχει έντονα ερεθιστική οσμή και αποπνικτική δράση. Δεν είναι διαβρωτικό όταν είναι τελείως ξηρό αλλά μετατρέπεται σε διαβρωτικό όταν βρεθεί σε υγρό περιβάλλον. Αποθηκεύεται σε φιάλες σε υγρή μορφή και χρησιμοποιείται σε αέρια μορφή. Πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή τόσο στην αποθήκευση του, όσο και το να μην διαφεύγει αέριο στην ατμόσφαιρα. Ο πιο ασφαλής τρόπος χλωρίωσης είναι η διάλυση του χλωρίου σε νερό κοντά στην φιάλη και στην συνέχεια η μεταφορά του διαλείμματος στον χώρο απολύμανσης. Όταν προστίθεται σε νερό που δεν περιέχει οργανικά ή αμμωνία δημιουργείται υποχλωριώδες οξύ, το οποίο είναι ασταθές και διασπάται σε ιόντα HOC1 και OC1, οι οποίες είναι και οι πιο γνωστές μορφές χλωρίου που προκαλούν απολύμανση στο νερό. Αυτό ονομάζεται ελεύθερο διαθέσιμο χλώριο, ενώ το χλώριο που παραμένει στο νερό μετά την απολύμανση λέγεται υπολειμματικό χλώριο. Η απολύμανση με χλώριο επηρεάζεται από την θερμοκρασία και από το pη. Η απολύμανση είναι πιο αποτελεσματική όταν η θερμοκρασία είναι υψηλή και το pη χαμηλό, και εξασθενεί όταν η θερμοκρασία ελαττώνεται και το pη αυξάνεται. Το χλώριο ενώνεται με οργανικές ενώσεις που υπάρχουν στο πόσιμο νερό με αποτέλεσμα τον σχηματισμό τριαλομεθανίων, τα οποία είναι καρκινογόνες ενώσεις. Αυτό σε καμιά περίπτωση δεν συνιστά την κατάργηση της χλωρίωσης καθώς οι κίνδυνοι για την υγεία από τα μικρόβια υπερβαίνουν κατά πολύ αυτούς της χλωρίωσης. Σήμερα η διεθνής τάση είναι η μείωση της χλωρίωσης στο κατώτερο δυνατό επίπεδο, καθώς και η αντικατάσταση της με άλλες τεχνικές όπως η οζόνωση και η χρήση ακτινών υπεριώδους ακτινοβολίας. Σελίδα 25

27 Απολύμανση με όζον Αν και το όζον χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ως απολυμαντικό νερού την ίδια περίπου εποχή που χρησιμοποιήθηκε και το χλώριο, δεν είχε την ευρεία διάδοση που είχε το χλώριο. Η χρήση του αυξήθηκε κυρίως λόγο της ανακάλυψης ότι τα τριαλομεθάνια που παράγονται από την χρήση του χλωρίου είναι καρκινογόνα. Το όζον, είναι το ισχυρότερο οξειδωτικό και απολυμαντικό που χρησιμοποιείται στην επεξεργασία νερού. Είναι σε πολύ μεγάλο βαθμό διαλυτό στο νερό και μετά την οζόνωση καταστρέφεται γρήγορα, ανάλογα πάντα με τις συνθήκες. Τα πλεονεκτήματα της απολύμανσης με όζον είναι τα εξής: 1. Έχει ισχυρή και ταχεία απολυμαντική δράση. 2. Μειώνει σημαντικά τα δημιουργούμενα τριαλομεθάνια που είναι καρκινογόνα. 3. Βελτιώνει την κροκίδωση όταν προστεθεί στο στάδιο της προοζόνωσης. 4. Βοηθάει στην απομάκρυνση των γεύσεων και των οσμών. 5. Βοηθάει στην ελάττωση της χροιάς του νερού. 6. Βοηθάει στην απομάκρυνση του σιδήρου και του μαγγανίου από το νερό. 7. Η χρήση του σε συνδυασμό με την διύλιση με ενεργό άνθρακα μειώνει την συγκέντρωση φυτοφαρμάκων στο νερό. Τα μειονεκτήματα του είναι τα εξής: 1. Έχει μικρή διάρκεια ζωής μετά την προσθήκη του στο νερό. 2. Δεν μπορεί να αποθηκευτεί οπότε πρέπει να παράγεται κοντά στην μονάδα επεξεργασίας. 3. Έχει περίπου τριπλάσιο κόστος από αυτό του χλωρίου. 4. Χρειάζονται πολύπλοκες εγκαταστάσεις για την παραγωγή του και εξειδικευμένο προσωπικό. Απολύμανση με υπεριώδη ακτινοβολία Η υπεριώδη ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απολύμανση του νερού, όταν αυτό δεν έχει αιωρούμενα στερεά, θολότητα και χροιά. Η ακτινοβολία που χρησιμοποιείται έχει μήκος κύματος από 200 μέχρι 300 nm. Η απολυμαντική ικανότητα της ακτινοβολίας οφείλεται στο γεγονός ότι σκοτώνει όλους σχεδόν τύπους βακτηριδίων και ιών. Ο χρόνος επαφής κυμαίνεται από 0,5 μέχρι 5 sec και εξαρτάται από το πλήθος των μικροοργανισμών και την καθαρότητα του νερού. Για την απολύμανση χρησιμοποιούνται ειδικές λάμπες ατμών υδραργύρου υψηλής ή χαμηλής πίεσης. Η ζωή των λαμπτήρων χαμηλής πίεσης είναι περίπου ώρες και η αντίστοιχη των υψηλής πίεσης ώρες. Η απόδοση των λαμπτήρων μειώνεται με τον χρόνο και αυτό θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψιν κατά τον σχεδιασμό της μονάδας. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η μη προσθήκη χημικών ουσιών στο νερό και άρα η αποφυγή τριαλομεθανίων. Αντίθετα, το μειονέκτημα της είναι ότι η απολυμαντική δράση της παύει μετά την ακτινοβολία και θα πρέπει να προστεθεί χλώριο για την διατήρηση της απολύμανσης στο δίκτυο της ύδρευσης. Έχει επίσης υψηλό κόστος. Σελίδα 26

28 Εικόνα 5.1 λάμπα εκπομπής υπεριώδους ακτινοβολίας Ενεργός άνθρακας Ένα ακόμα είδος φίλτρου που χρήζει ιδιαίτερης μνείας είναι η χρήση ενεργού άνθρακα. Ο άνθρακας είναι μία ουσία που έχει μια μεγάλη ιστορία και χρησιμοποιείται για να απορροφά προσμείξεις και είναι από τα πιο ισχυρά απορροφητικά στον άνθρωπο. Μία λίβρα άνθρακα (0,45 kg) αναπτύσσεται σε μία επιφάνεια 125 στρεμμάτων και μπορεί να απορροφήσει χιλιάδες διαφορετικά χημικά. Ο ενεργός άνθρακας είναι άνθρακας ο οποίος έχει ελαφρώς θετικό ηλεκτρικό φορτίο, κάνοντας τον ακόμα πιο ελκυστικό στα χημικά και τις προσμείξεις. Ο ενεργός άνθρακας παράγεται από διάφορες ανθρακούχες πρώτες ύλες, όπως ανθρακίτη, πετρελαϊκό κωκ, βιτουμένιο, τύρφη και ξύλο, με κατεργασία που περιλαμβάνει δύο στάδια: την απανθράκωση και ενεργοποίηση ή οξείδωση. Χρησιμοποιείται σε δύο μορφές: Ως κοκκώδης ενεργός άνθρακας (GAC) και ως σκόνη ενεργού άνθρακα (PAC). α) Ο κοκκώδης ενεργός άνθρακας (GAC) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πληρωτικό υλικό σε φίλτρα πιέσεως ή βαρύτητας. Μια άλλη διάκριση των συστημάτων του κοκκώδους ενεργού άνθρακα είναι η θέση τους στην επεξεργασία του νερού. Οι στήλες GAC χρησιμοποιούνται ως φίλτρο διήθησης-προσρόφησης. Επίσης, χρησιμοποιούνται πριν την διύλιση για την ταυτόχρονη απομάκρυνση αιωρουμένων σωματιδίων και διαλυμένων οργανικών ουσιών και απαιτούν πολύ συχνή έκπλυση. Οι στήλες GAC όταν τοποθετούνται μετά την διήθηση του νερού σε φίλτρα, χρησιμοποιούνται κυρίως για την προσρόφηση διαλυμένων οργανικών ουσιών και δεν χρειάζονται συχνή έκπλυση. β) Η σκόνη ενεργού άνθρακα (PAC) προστίθεται στο νερό μαζί με το κροκιδοτικό και ακολουθεί καθίζηση. Η ποσότητα του PAC που προστίθεται μπορεί να μεταβάλλεται ανάλογα με την περιεκτικότητα του νερού σε προς απομάκρυνση ουσίες. Είναι επίσης δυνατόν να χρησιμοποιείται ο PAC εκτάκτως, όταν παρουσιάζεται ανάγκη απομάκρυνσης οσμής και γεύσης ή άλλων οργανικών ουσιών (συνθετικών οργανικών, SOCs). Είναι γενικά λιγότερο αποτελεσματικός από τον GAC. Σελίδα 27

29 Χρήση GAC σε στήλες διήθησης προσρόφησης α) Πλεονεκτήματα Εύκολη εγκατάσταση με αντικατάσταση της άμμου από GAC στα υπάρχοντα φίλτρα. Χαμηλότερο κόστος εγκατάστασης από τις στήλες προσρόφησης μετά τη διήθηση. Απαιτούν μικρότερο χώρο. β) Μειονεκτήματα Μεγαλύτερη συχνότητα έκπλυσης από τις στήλες προσρόφησης. Έχουν μικρούς ΕΒCT, ιδίως αν δημιουργούνται με αντικατάσταση άμμου. Μεγαλύτερες απώλειες GAC λόγω συχνής έκπλυσης. Πιθανή αλληλεπίδραση κροκιδωτικού-gac. Μεγαλύτερο κόστος λειτουργίας λόγω μικρότερης προσροφούμενης ποσότητας ανά μονάδα βάρους άνθρακα. Χρήση GAC σε στήλες προσρόφησης μετά τη διήθηση α) Πλεονεκτήματα - Μεγαλύτερη ευελιξία στην επιλογή μικρότερου μεγέθους κόκκων GAC, λόγω απουσίας περιορισμών πτώσης πίεσης και διήθησης. - Λιγότερο συχνή έκπλυση, άρα διατήρηση καλύτερης στρωματοποίησης. - Μεγαλύτερη ευελιξία στην επιλογή μεγαλύτερων ΕΒCT. - Αποτελούν ένα πρόσθετο φράγμα στην μεταφορά μικροοργανισμών στο νερό. - Είναι περισσότερο συμβατές με άλλες διεργασίες, όπως η οζόνωση. - Μπορούν να σχεδιαστούν ώστε η αντικατάσταση του GAC να είναι εύκολη. - Χρησιμοποιούν μεγαλύτερο μέρος της προσροφητικής ικανότητας του GAC. β) Μειονεκτήματα - Υψηλότερο κόστος εγκατάστασης. - Απαιτούν μεγαλύτερο χώρο. - πιθανά προβλήματα ποιότητας νερού λόγω μικροβιακής ανάπτυξης και μη συχνής έκπλυσης. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα διαφόρων σημείων προσθήκης PAC α) Η προσθήκη της σκόνης άνθρακα στην είσοδο παρέχει μεγάλο χρόνο επαφής και καλή ανάμιξη, αλλά μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την προσρόφηση και ουσιών που θα μπορούσαν να είχαν απομακρυνθεί με κροκίδωση και καθίζηση, άρα την αύξηση του ρυθμού χρήσης άνθρακα. β) Η προσθήκη του PAC στο σημείο ταχείας ανάμιξης παρέχει καλή ανάμιξη του άνθρακα στη θέση αυτή, καθώς και στο στάδιο της κροκίδωσης, και λογικό χρόνο επαφής, αν και πιθανόν όχι επαρκή για την επίτευξη ισορροπίας ως προς ορισμένες ουσίες. Πιθανή όμως είναι η μείωση της ταχύτητας προσρόφησης λόγω της επίδρασης των κροκιδωτικών, με την ενσωμάτωση του άνθρακα στις κροκίδες που σχηματίζονται. Πιθανός, επίσης, είναι ο ανταγωνισμός από ουσίες που θα μπορούσαν να είχαν απομακρυνθεί με κροκίδωση και καθίζηση, αν η προσθήκη του PAC είχε γίνει μετά τα στάδια αυτά. Σελίδα 28

30 γ) Η προσθήκη του PAC ακριβώς πριν από το φίλτρο άμμου έχει το πλεονέκτημα της απουσίας ανταγωνιστικών ουσιών ως προς την προσρόφηση, μεγαλύτερο χρόνο επαφής και αποτελεσματικότερη χρήση της δυναμικότητας του άνθρακα. Όμως, η μέγιστη επιτρεπτή δόση του άνθρακα περιορίζεται από την ικανότητα του φίλτρου να συγκρατεί τον άνθρακα και από το ρυθμό της αύξησης της πτώσης πίεσης μέσα στο φίλτρο. Πιθανή απώλεια PAC προς την δεξαμενή τελικού νερού και το σύστημα διανομής. δ) Η προσθήκη PAC σε δεξαμενή επαφής πολτού PAC πριν από την ταχεία ανάμιξη: Ένα άλλο σημείο προσθήκης θα μπορούσε να είναι μια δεξαμενή συνεχούς ροής του πολτού, που μπορεί να προηγείται της ταχείας ανάμιξης. Τα πλεονεκτήματα αυτού του σημείου προσθήκης είναι: πολύ ικανοποιητική ανάμιξη για τον προβλεπόμενο χρόνο επαφής, μη παρεμβολή κροκιδωτικών, πρόσθετος χρόνος επαφής κατά την κροκίδωση και την καθίζηση. Η ενσωμάτωση της σκόνης άνθρακα στα κολλοειδή κατά την ταχεία ανάμιξη διευκολύνει την απομάκρυνσή της στη συνέχεια με καθίζηση και διήθηση. Αντίθετα, τα μειονεκτήματα είναι τα εξής: πιθανή εγκατάσταση νέας δεξαμενής και αναμικτήρα, άρα κόστος εγκατάστασης. Επίσης, πιθανός ανταγωνισμός από ουσίες που θα μπορούσαν να απομακρυνθούν με κροκίδωση. Σελίδα 29

31 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ Συγγράμματα Αστέριος Παντοκράτορας, Υδρεύσεις πόλεων, Θεσσαλονίκη, 2015 Εργασίες Τμήμα Περιβάλλοντος Πανεπιστημίου Αιγαίου, Εργαστήριο ποιότητας υδάτων και αέρα: προσδιορισμός και ελαχιστοποίηση των αλογονοπαραγώγων του μεθανίου στο πόσιμο νερό της Αθήνας. Ιστοσελίδες στο διαδίκτυο Ηλίας Παπαποστόλου, Τα μυστικά του φιλτραρισμένου νερού [διαθέσιμο στο: ] Assist. Prof. Bilge Alpaslan Kocamemi, Sedimentation [διαθέσιμο στο: ] Σελίδα 30