Výskumný ústav vodného hospodárstva. Zraniteľnosť vodárenských zdrojov a technologické možnosti úpravy vody v mimoriadnych situáciách

Transcript

1 Výskumný ústav vodného hospodárstva Zraniteľnosť vodárenských zdrojov a technologické možnosti úpravy vody v mimoriadnych situáciách Karol Munka Monika Karácsonyová 1.workshop k projektu SK VÚVH Bratislava

2 SK-0135 Bezpečnosť dodávky pitnej vody Zraniteľnosť vodárenských zdrojov: - využitie analýzy rizík - identifikácia a kvantifikácia nebezpečenstiev - hodnotenie miery rizika Vodárenský zdroj: - podzemná voda - povrchová voda

3 SK-0135 Bezpečnosť dodávky pitnej vody Podzemná voda (subsystémy) 1. Oblasť povodia - priame znečistenie podzemnej vody - infiltrácia povrchovej vody do podzemnej vody, Monitorovanie systému - zlyhanie monitoringu, Zachytávanie podzemnej vody - porucha zariadenia - kontaminácia zdroja, Transport podzemnej vody - výpadok elektrickej energie - porucha potrubia,...

4 SK-0135 Bezpečnosť dodávky pitnej vody Povrchová voda (subsystémy) 1. Oblasť povodia - znečistenie zóny povodia - nedostatok vody - znečistenie prítokov, Monitorovanie systému - zlyhanie monitoring, Odber povrchovej vody - porucha odberného objektu - znečistenie povrchovej vody, Transport povrchovej vody - výpadok elektrickej energie - porucha potrubia,...

5 SK-0135 Bezpečnosť dodávky pitnej vody Indexy zraniteľnosti pre jednotlivé subsystémy podzemnej a povrchovej vody 1. Oblasť povodia 2. Monitorovanie systému 3. Zachytávanie resp. odber vody 4. Transport vody

6 SK-0135 Bezpečnosť dodávky pitnej vody Vyhodnotenie miery rizika pre jednotlivé subsystémy podzemnej a povrchovej vody Miera rizika Extrémne Vysoké Stredné Nízke Spolu E H M L Početnosť výskytu d(%) c(%) b(%) a(%) 100%

7 SK-0135 Bezpečnosť dodávky pitnej vody Index zraniteľnosti I Z = I L. (a/100) + I M. (b/100) + I H. (c/100) + I E. (d/100) a, b, c, d početnosť výskytu nebezpečenstva v percentách pre mieru rizika L, M, H, E I L, I M, I H, I E koeficienty pre jednotlivé miery rizika priradenie váhy: I L = 1, I M = 2, I H = 3, I E = 4

8 SK-0135 Bezpečnosť dodávky pitnej vody Zvyšujúca sa hodnota indexu zraniteľnosti je úmerná možnému zvýšenému výskytu nebezpečenstiev predovšetkým s vysokou (H) a extrémnou (E) mierou rizika. I Z є < 1,0; 4,0 > a = 100% I Z = 1,0 (iba výskyt nebezpečenstiev s mierou rizika L) d = 100% I Z = 4,0 (iba výskyt nebezpečenstiev s mierou rizika E) a = b = c = d = 25% I Z = 2,5 Určenie priorít kontrolných opatrení pre jednotlivé subsystémy: - nebezpečenstvá s vysokou a extrémnou mierou rizika

9 SK-0135 Bezpečnosť dodávky pitnej vody Technologické možností úpravy vody pri chemickej a mikrobiologickej kontaminácii vodárenských zdrojov Prístup sa niekedy zľahčuje: - veľký objem vody - zriedenie kontaminantu - eliminovanie jeho účinnosti - mikrobiologický kontaminant - eliminovanie v procese úpravy vody resp. pôsobením dezinfektantu pri distribúcii vody

10 SK-0135 Bezpečnosť dodávky pitnej vody Nesúhlas s takýmto prístupom: - možný výskyt viac ako chemických látok vo vodnom prostredí, monitoruje sa iba niečo viac ako extrémne toxické kontaminanty - vážne problémy už vo veľmi nízkych koncentráciách - mikrobiologické kontaminanty - za určitých podmienok môže dôjsť k ich rozmnožovaniu vo vode

11 Rozdelenie procesov podľa povahy separovaných látok (Sontheimer) Úprava Postup Povaha nečistôt usadzovanie mechanická flotácia suspendované látky filtrácia chemická vločkovanie koloidné látky fyzikálno-chemická a biologická zrážanie iónová výmena oxidácia, membrán. sep. adsorpcia oxidácia, membrán. sep., biologická úprava rozpustené anorganické látky rozpustené organické látky

12 Toxicita prírodných jedov Látka LD50 v µg/kg (myši) botulinus 0,00003 tetanus 0,001 palytoxin 0,15 batrachotoxin 2,7 tetrodotoxin 9 saxitoxin 9

13 Porovnanie toxicity rôznych jedov vo vodnom prostredí Látka R botulinus toxín A o-etyl-s-(n,n-dimetylaminoetyl)-metyltiofosfonát 250 sarin 100 nikotín 20 kolchicín 12 kyanid 9 amiton 5 seleničitany 1 arzeničitany, arzenitany 1

14 SK-0135 Bezpečnosť dodávky pitnej vody Technologické možnosti odstránenia kontaminácie z vody Hlavné skupiny metód úpravy vody: - membránové separačné procesy - kontaktné metódy: oxidácia, AOP - fyzikálno-chemické metódy: koagulácia, iónová výmena, adsorpcia - vzájomná kombinácia týchto procesov

15 Membránové procesy Membránová filtrácia Princíp - filtrácia kvapalného média cez polopriepustné membrány

16 Základné návrhové parametre: minimálna veľkosť odstraňovaných častíc prevádzkový tlak Rozdelenie membránových procesov Membránový proces Prevádzkový tlak Veľkosť odstraňovaných častíc mikrofiltrácia (MF) kpa 0,06 3,0 µm ultrafiltrácia (UF) mierne vyšší ako MF 0,002 0,3 µm nanofiltrácia (NF) kpa 0,001 0,02 µm reverzná osmóza (RO) kpa < 0,003 µm

17

18 Ozón E 0 = 2,07 V (vysoká reaktivita) Oxidačné procesy Produkcia: - disociácia molekúl kyslíka na voľné atómy a ich reakcia s ďalšími molekulami kyslíka O 2 O + O H = 494 kj O 2 + O O 3 H = kj 3 O 2 2 O 3 H = 285 kj - vznik ozónu z kyslíka účinkom UV žiarenia alebo elektrického výboja je endotermický proces

19 Oxidácia ozónom reakcia s organickými látkami: - priamo cykloadičné reakcie (oxidácia alkénov na karbonylové zlúčeniny) - nepriamo za vzniku reaktívnych hydroxylových radikálov odstraňovanie alifatických amínov (zápach vody), pesticídov (pentachlorfenol, alachlor, carbofuran) alkénov (vinylchlorid, 1,1-dichloretylén, 1,2-dichloretylén) aromatických uhľovodíkov (benzén, toluén, xylén, styrén, etylbenzén) oxidácia Fe a Mn v kyslom a zásaditom prostredí

20 Ozonizácia vody - zlepšenie senzorických vlastností vody - odstránenie toxínov siníc (mikrocystín LR) (postozonizácia v kombinácii s GAC) - zníženie tvorby THM - zvýšenie účinnosti procesu flokulácie (zvýšenie polarity organických molekúl, ich destabilizácia a tvorba väčších vločiek), úspora koagulantu - predĺženie životnosti filtrov s GAC - dezinfekcia pitnej vody (Giardia, Cryptosporídium) - odželezovanie a odmangánovanie (bez predalkalizácie)

21 Progresívne oxidačné procesy (AOP) Princíp: - neselektívna oxidácia sprostredkovaná OH radikálmi OH radikály: - najsilnejšie oxidačné činidlo OH + H + + e - = H 2 OE 0 = + 2,80 V - OH radikálové reakcie patria medzi extrémne rýchle oxidačné reakcie v porovnaní s bežnými vodárenskými postupmi Aplikácie: odstraňovanie mikroznečistenia - mikropolutanty: zvyšky liečív, prípravky osobnej hygieny, pesticídy a herbicídy, prísady do palív (MTBE)

22 Jednotlivé typy AOP: Progresívne oxidačné procesy (AOP) - H 2 O 2 + O 3 (Peroxon) - O 3 + UV žiarenie - H 2 O 2 + UV žiarenie - H 2 O 2 + O 3 + UV žiarenie - TiO 2 + UV žiarenie - Fentonov proces: Fe 2+ + H 2 O 2

23 O 3 + UV žiarenie O 3 + hν O 2 + O O + H 2 O 2 OH Progresívne oxidačné procesy (AOP) λ = 254 nm, molár. absorp. koeficient ε = M -1.cm -1 Limit pre aplikáciu: vyššia koncentrácia bromidov v upravovanej vode možnosť tvorby bromičnanov

24 H 2 O 2 + UV žiarenie Progresívne oxidačné procesy (AOP) H 2 O 2 + hν = 2 OH - stechiometricky najúčinnejší proces (1 mól H 2 O 2 2 móly OH radikálov) - nevýhoda nízka adsorpcia H 2 O 2 v oblasti UVC ( nm), λ = 254 nm, molár. absorp. koeficient, ε = 19 M -1.cm krát nižšia produkcia OH radikálov ako pri O 3 /UV Zvýšenie účinnosti produkcie OH - použitie vyšších dávok H 2 O 2 (5 15 ppm) - použitie stredotlakých UV žiaričov ( nm) - nie je riziko tvorby bromičnanov ani pri vyšších obsahoch bromidov

25 Progresívne oxidačné procesy (AOP) Aplikácia AOP: - toxíny rias (mikrocystín) - nitrozoamíny (NDMA) - chlórované uhľovodíky - 1, 4 dioxán - prímesy do palív (MTBE, hydrazín) - pesticídy a herbicídy - zvyšky liečív a prípravkov osobnej hygieny (antibiotiká) - pach a chuť (geosmín, metylizoborneol) - zlúčeniny narušujúce endokrinný systém (zvyšky hormonálnej antikoncepcie)

26 Rýchlostné konštanty ozónu a hydroxylového radikálu s organickými látkami v l.mol -1.s -1 Látka k(o 3 ) k( OH) Olefíny 10 3 až až Fenoly Dusíkaté organické látky 10 až až Aromáty 1 až až Aldehydy Ketóny až 10 9 Alkoholy 10-1 až až Alkány až 10 9 Karboxylové kyseliny až 10 9

27 Adsorpcia (GAC) Odstraňovanie: - organických látok - zápachu - farby - chuti - vedľajších produktov dezinfekcie - niektorých ťažkých kovov

28 Ozonizácia s následnou filtráciou vody na GAC - odstraňovanie nízkomolekulárnych organických látok - odstránenie vedľajších produktov ozonizácie adsorpciou - zníženie obsahu DOC a BDOC, AOC - obmedzenie tvorby biofilmu v distribučnej sieti - zabránenie sekundárnemu znečisteniu pitnej vody - deštrukcia zvyškového ozónu - rozklad látok biologickou aktivitou baktérií žijúcich na povrchu aktívneho uhlia - biodegradácia (BAC)

29 Najlepšie dostupné technológie (BAT) na odstraňovanie organických látok pri úprave pitných vôd Znečisťujúca látka aerácia GAC chlorácia, ozonizácia benzén x x 1,2-dichlóretán x x 1,1,1-trichlóretán x x monochlórbenzén x x tetrachlóretylén x x toluén x x xylény x x PCB glykosat x x

30 Účinnosť rôznych technológií pri odstraňovaní organických látok Organická zlúčenina GAC Stripov. RO Oxidácia ozónom Klasická technológia Alkány Carbon tetrachlorid ,2- Dichlorethane ,1,1- Trichlorethane ,2-Dichlorpropane Ethylene dibromide Dibromochloropropane ++ + NA - -

31 Alkény Organická zlúčenina GAC Stripov. RO Oxidácia ozónom Klasická technol. Vinyl chloride + ++ NA ,1-Dichloroethylene NA ++ - cis-1,2-dichloroethylene Trans-1,2- Dichloroethylene NA ++ - Trichlorethylene

32 Aromatické uhľovodíky Organická zlúčenina GAC Stripov. RO Oxidácia ozónom Klasická technol. Benzene Toluene NA ++ - Xylenes NA ++ - Ethylbenzene Chlorbenzene o-dichlorbenzene p-dichlorbenzene NA + - Styrene NA ++ -

33 Pesticídy Organická zlúčenina GAC Stripov. RO Oxidácia ozónom Klasická technol. Pentachlorphenol ++ - NA ++ NA 2,4-D ++ - NA + - Alachlor Carbofuran Lindane ++ - NA - - Toxaphene NA NA - Heptachlor NA + NA Chlordane ++ - NA NA NA 2,4,5-TP ++ NA NA + NA Methoxychlor ++ NA NA NA NA

34 Najlepšie dostupné technológie (BAT) na odstraňovanie anorganických látok pri úprave pitných vôd Anorganická látka BAT antimón 2, 7 azbest 2, 3, 8 bárium 5, 6, 7, 9 berýlium 1, 2, 5, 6, 7 dusičnany 5, 7, 9 dusitany 5, 7, 10 chróm 2, 5, 6, 7 kadmium 2, 5, 6, 7 kyanidy 5, 7, 10 nikel 5, 6, 7 ortuť 2, 4, 7 selén 1, 2, 6, 7, 9 tálium 1, 5 1. aktivovaný hliník 2. koagulácia/filtrácia 3. priama filtrácia a filtrácia cez zeminy 4. granulované aktívne uhlie 5. iónová výmena 6. zmäkčovanie vody vápnom 7. reverzná osmóza 8. kontrola korózie 9. elektrolýza 10. chlór

35 Technologické možnosti úpravy vody A. Kontaminácia vody: anorganický kontaminant (ťažký kov) A1. Prevádzkovaná úpravňa vody Technológia úpravy vody: - jednostupňová (koagulácia, filtrácia) - dvojstupňová (koagulácia, usadzovanie, filtrácia)

36 Technologické možnosti úpravy vody anorganický kontaminant Nápravné opatrenie: - určenie kontaminantu (kvalita, kvantita) - posúdenie vplyvu kontaminácie na účinnosť prevádzkovanej technológie úpravy (upraviteľnosť vody) - možné korekcie v procese úpravy vody: - zníženie výkonu úpravne vody - zvýšenie dávky koagulantu a alkalizačného činidla - posúdenie možnej zmeny koagulantu Účinnosť opatrenia voči kontaminantom: - antimón, berýlium, chróm, kadmium, ortuť (c < 10 µg/l), selén-iv, arzén

37 Technologické možnosti úpravy vody anorganický kontaminant A2a). Vodárenský zdroj s menšou výdatnosťou Technológia úpravy vody: - len zdravotné zabezpečenie vody A2b). Prevádzkovaná úpravňa vody s menšou kapacitou Technológia úpravy vody: - odkysľovanie, mechanická filtrácia, aerácia

38 Technologické možnosti úpravy vody anorganický kontaminant I. nápravné opatrenie: - úprava vody iónovou výmenou Účinnosť opatrenia voči kontaminantom: - bárium, berýlium, chróm, kadmium, nikel II. nápravné opatrenie: - úprava vody reverznou osmózou (vhodný zmiešavaci pomer, rekarbonizácia vody) Účinnosť opatrenia voči kontaminantom: - antimón, bárium, berýlium, chróm, kadmium, nikel, ortuť (c < 10 µg/l), selén

39 Technologické možnosti úpravy vody B. Kontaminácia vody: organický kontaminant B1. Prevádzkovaná úpravňa vody Technológia úpravy vody: - jednostupňová (koagulácia, filtrácia) - dvojstupňová (koagulácia, usadzovanie, filtrácia)

40 Technologické možnosti úpravy vody organický kontaminant Nápravné opatrenie: - určenie kontaminantu (kvalita, kvantita) - posúdenie vplyvu kontaminácie na účinnosť prevádzkovanej technológie úpravy (upraviteľnosť vody) - možné korekcie v procese úpravy vody: - zníženie výkonu úpravne vody - zvýšenie dávky koagulantu a alkalizačného činidla (NEL) - posúdenie možnej zmeny koagulantu (pri organických látkach málo účinné) - nedostatočná účinnosť technológie na organické látky (doplnenie technológie o filtráciu na GAC) Toxické organické látky: - doplnenie technológie o ozonizáciu s následnou filtráciou na GAC - doplnenie technológie o membránovú filtráciu v kombinácii s GAC (hybridný proces) - doplnenie technológie o AOP proces (O 3 + UV žiarenie), GAC

41 Technologické možnosti úpravy vody organický kontaminant B2a). Vodárenský zdroj s menšou výdatnosťou Technológia úpravy vody: - len zdravotné zabezpečenie vody B2b). Prevádzkovaná úpravňa vody s menšou kapacitou Technológia úpravy vody: - odkysľovanie, mechanická filtrácia

42 Nápravné opatrenie: Technologické možnosti úpravy vody organický kontaminant - určenie kontaminantu (kvalita, kvantita) - posúdenie vplyvu kontaminácie na účinnosť prevádzkovanej technológie úpravy (upraviteľnosť vody) - možné korekcie v procese úpravy vody: - zníženie výkonu úpravne vody - zvýšenie dávky dezinfekčného činidla (pri organických látkach málo účinné) - nedostatočná účinnosť technológie na organické látky (doplnenie technológie o filtráciu na GAC) - doplnenie technológie o ozonizáciu s následnou filtráciou na GAC - doplnenie technológie o aeráciu vody (prchavé organické látky)

43 Technologické možnosti úpravy vody C. Kontaminácia vody: anorganický a organický kontaminant C1. Prevádzkovaná úpravňa vody Technológia úpravy vody: - jednostupňová (koagulácia, filtrácia) - dvojstupňová (koagulácia, usadzovanie, filtrácia)

44 Technologické možnosti úpravy vody anorganický a organický kontaminant Nápravné opatrenie: - určenie kontaminantu (kvalita, kvantita) - posúdenie vplyvu kontaminácie na účinnosť prevádzkovanej technológie úpravy (upraviteľnosť vody) - možné korekcie v procese úpravy vody: - zníženie výkonu úpravne vody - zvýšenie dávky koagulantu a alkalizačného činidla (dostatočná účinnosť iba na anorganický kontaminant) - posúdenie možnej zmeny koagulantu (pri organických látkach málo účinné) - nedostatočná účinnosť technológie na organické látky (doplnenie technológie o filtráciu na GAC)

45 Technologické možnosti úpravy vody anorganický a organický kontaminant Toxické organické látky: - doplnenie technológie o ozonizáciu s následnou filtráciou na GAC - doplnenie technológie o membránovú filtráciu v kombinácii s GAC (hybridný proces) - doplnenie technológie o AOP proces (O 3 + UV žiarenie), GAC

46 Technologické možnosti úpravy vody C. Kontaminácia vody: anorganický a organický kontaminant C2a). Vodárenský zdroj s menšou výdatnosťou Technológia úpravy vody: - len zdravotné zabezpečenie vody C2b). Prevádzkovaná úpravňa vody s menšou kapacitou Technológia úpravy vody: - odkysľovanie, mechanická filtrácia

47 Technologické možnosti úpravy vody anorganický a organický kontaminant Nápravné opatrenie: - určenie kontaminantu (kvalita, kvantita) - posúdenie vplyvu kontaminácie na účinnosť prevádzkovanej technológie úpravy (upraviteľnosť vody) - možné korekcie v procese úpravy vody: - zníženie výkonu úpravne vody - zvýšenie dávky dezinfekčného činidla (pri organických látkach málo účinné) - nedostatočná účinnosť technológie na anorganické látky: - úprava vody iónovou výmenou - úprava vody reverznou osmózou - nedostatočná účinnosť technológie na organické látky (doplnenie technológie o filtráciu na GAC) - doplnenie technológie o ozonizáciu s následnou filtráciou na GAC - doplnenie technológie o aeráciu vody (prchavé organické látky) - použitie mobilnej úpravne vody s dvojstupňovou technológiou doplnenou o filtráciu cez GAC resp. ozonizáciou (ozonizácia a GAC) (výkon 2-5 m 3 /h)

48 Technologické možnosti úpravy vody D. Kontaminácia vody: mikrobiologický kontaminant D1. Prevádzkovaná úpravňa vody Technológia úpravy vody: - jednostupňová (koagulácia, filtrácia) - dvojstupňová (koagulácia, usadzovanie, filtrácia)

49 Technologické možnosti úpravy vody mikrobiologický kontaminant Nápravné opatrenie: - určenie kontaminantu (kvalita, kvantita) - posúdenie vplyvu kontaminácie na účinnosť prevádzkovanej technológie úpravy (upraviteľnosť vody) - možné korekcie v procese úpravy vody: - zníženie výkonu úpravne vody - zvýšenie dávky koagulantu a alkalizačného činidla - zvýšenie dávky dezinfekčného činidla (chlórdioxid) - využitie UV žiarenia - doplnenie technológie o ozonizáciu resp. ozonizáciu s následnou filtráciou na GAC

50 Účinnosť dezinfekčných prostriedkov na heterotrofné baktérie (Ct 99 ) Chlór Chlóramín Chlórdioxid Ozón UV žiarenie 0,08 mg.min/l 94 mg.min/l 0,13 mg.min/l 0,002 mg.min/l 99,9% t = 1-2 C t = 1-2 C t = 1-2 C t = 5 C inaktivácia ph 7 ph 7 ph 7 ph mj/cm 2 3,3 mg.min/l 278 mg.min/l 0,19 mg.min/l t = 1-2 C t = 1-2 C t = 1-2 C ph 8,5 ph 8,5 ph 8,5

51 Účinnosť dezinfekčných prostriedkov na vírusy (Ct 99 ) Chlór Chlóramín Chlórdioxid Ozón UV žiarenie 12 mg.min/l 1240 mg.min/l 8,4 mg.min/l 0,94 mg.min/l 99,9% t = 0-5 C t = 1 C t = 1 C t = 1 C inaktivácia ph 7-7,5 ph 6-9 ph mj/cm 2 8 mg.min/l 430 mg.min/l 2,8 mg.min/l 0,3 mg.min/l t = 10 C t = 15 C t = 15 C t = 15 C ph 7-7,5 ph 6-9 ph 6-9

52 Účinnosť dezinfekčných prostriedkov na prvoky - Cryptosporídium (Ct 99 ) Chlór Chlóramín Chlórdioxid Ozón UV žiarenie 40 mg.min/l t = 1 C 40 mg.min/l ph 8 99,9% neúčinkuje neúčinkuje t = 22 C Inaktivácia ph 8 4,4 mg.min/l t = 22 C 10 mj/cm 2 ph 8

53 Účinnosť dezinfekčných prostriedkov na prvoky - Giardia (Ct 99 ) Chlór Chlóramín Chlórdioxid Ozón UV žiarenie 230 mg.min/l mg.min/l 42 mg.min/l 1,9 mg.min/l t = 0,5 C t = 1 C t = 1 C t = 1 C ph 7-7,5 ph 6-9 ph 6-9 ph mg.min/l 1000 mg.min/l 15 mg.min/l 0,63 mg.min/l 99,9% t = 10 C t = 15 C t = 10 C t = 15 C inaktivácia ph 7-7,5 ph 6-9 ph 6-9 ph mj/cm 2 41 mg.min/l t = 25 C - 7,3 mg.min/l t = 25 C - ph 7-7,5 ph 6-9

54 Technologické možnosti úpravy vody D. Kontaminácia vody: mikrobiologický kontaminant D2a). Vodárenský zdroj s menšou výdatnosťou Technológia úpravy vody: - len zdravotné zabezpečenie vody D2b). Prevádzkovaná úpravňa vody s menšou kapacitou Technológia úpravy vody: - odkysľovanie, mechanická filtrácia

55 Nápravné opatrenie: Technologické možnosti úpravy vody mikrobiologický kontaminant - určenie kontaminantu (kvalita, kvantita) - posúdenie vplyvu kontaminácie na účinnosť prevádzkovanej technológie úpravy (upraviteľnosť vody) - možné korekcie v procese úpravy vody: - zníženie výkonu úpravne vody - zvýšenie dávky dezinfekčného činidla (chlórdioxid) Nedostatočná účinnosť technológie: - využitie UV žiarenia - doplnenie technológie o membránovú filtráciu - mikrofiltračné membrány: Giardia, Cryptosporídium, baktérie - nanofiltrácia: vírusy