Uzdatnianie wody – urządzenia i narzędzia, rozwiązania uzdatniania wody w domu i przemyśle

Woda – wszyscy jej potrzebujemy i to każdego dnia. Żyjemy w czasach, gdy mamy ją na wyciągnięcie ręki. Wystarczy tylko odkręcić kurek. Problem w tym, że dostarczana nam woda nie zawsze jest wolna od zanieczyszczeń. Te jednak możemy usunąć sami, dzięki stacjom i systemom uzdatniania wody. A w jaki sposób się to odbywa?

• Po co uzdatniać wodę?
• Zmiękczanie
• Wymiana jonów
• Odżelazianie i odmanganianie
• Dezynfekcja
• Filtracja
• Odwrócona osmoza

Po co uzdatniać wodę?

Jakość wody, zarówno tej używanej w przemyśle, jak i tej, z której korzystamy codziennie w naszych domach, często niestety pozostawia wiele do życzenia. W surowej wodzie mogą znajdować się niekorzystne dla nas związki chemiczne, bakterie, glony, a także mechaniczne zanieczyszczenia w postaci zawiesiny czy osadu. Skład chemiczny wody różni się w zależności od regionu i źródła poboru – inne zanieczyszczenia dominują w wodzie z ujęć głębinowych, inne w wodach powierzchniowych.

To, jakiej wody używamy, wpływa bezpośrednio na nasze zdrowie oraz trwałość urządzeń domowych i przemysłowych. Właśnie dlatego stosuje się rozmaite środki zaradcze – stacje uzdatniania wody są już szeroko stosowane w przemyśle (przykładem jest tego typu stacja: http://www.bpserchem.pl/oferta/urzadzenia/#stacjeuzdatnianiawody), a i w naszych domach możemy wdrażać różne systemy, by poprawić jej jakość.

Dopiero po takim uzdatnieniu woda w pełni nadaje się do spożycia. Uzdatnianie wody poprawia nie tylko jej bezpieczeństwo mikrobiologiczne i skład chemiczny, ale też smak oraz zapach. Dobrze dobrane rozwiązania pozwalają wyeliminować nieprzyjemny zapach chloru, metaliczny posmak czy mętność. W przemyśle spożywczym czy farmaceutycznym właściwe przygotowanie wody stanowi warunek konieczny zachowania norm jakościowych produktu.

Zmiękczanie

Nie zawsze jednak chodzi o walory spożywcze – kiedy indziej zależy nam po prostu na tym, aby woda była bardziej zdatna do wykorzystania przemysłowego lub domowego. Nieraz mamy do czynienia z twardą wodą, której twardość wynika z wysokiej zawartości jonów wapnia i magnezu. Przekroczenie poziomu 500 mg CaCO₃/l klasyfikuje wodę jako bardzo twardą i sprawia poważne problemy eksploatacyjne.

Powoduje ona gromadzenie się kamienia kotłowego w urządzeniach takich jak pralka, zmywarka czy czajnik, co w skrajnych wypadkach może doprowadzić do ich uszkodzenia. Twarda woda nieraz też przyczynia się do niszczenia armatury łazienkowej i instalacji grzewczych. Nierzadko też jest powodem zarastania rur, zwłaszcza w instalacjach ciepłej wody użytkowej, gdzie procesy osadzania przebiegają intensywniej.

Jeśli zastosujemy system zmiękczający, skończą się nasze problemy z kamieniem, a to wiąże się ze znacznymi oszczędnościami – nawet kamienny osad o grubości zaledwie milimetra sprawia, że zużycie energii wzrasta o dziesięć procent. W kotłach przemysłowych osad o grubości 3 mm potrafi podwoić zużycie paliwa. Oszczędność wypływa też stąd, że przy miękkiej wodzie zużyjemy mniej mydła, detergentów i ogólnie środków piorących – ich skuteczność w miękkiej wodzie wzrasta nawet o 50%.

To nie koniec korzyści – nie uświadczymy już więcej zacieków i wapiennych osadów na wannie, kabinie prysznicowej czy glazurze. I wreszcie, różnicę odczujemy też na własnej skórze i to dosłownie. Twarda woda pozostawia na niej wrażenie szorstkości i suchości. Cierpią również włosy, które stają się łamliwe i trudniej je rozczesać. Po zmiękczeniu wody pozbędziemy się kłopotów tego typu.

Wymiana jonów

Ten proces uzdatniania również pozwala zmiękczyć wodę. Powszechnie stosowanymi do tego celu urządzeniami są zmiękczacze z żywicą jonowymienną. Proces odbywa się na zasadzie wymiany jonowej – niepożądane kationy wapnia i magnezu są zastępowane przez obojętne jony sodu, które nie powodują powstawania osadów.

Żywica jonowymieniana wymaga regularnej regeneracji, która polega na przepłukiwaniu jej roztworem soli kuchennej (chlorku sodu). Częstotliwość regeneracji zależy od twardości wody i jej zużycia – w gospodarstwach domowych odbywa się to zazwyczaj co kilka dni. Nowoczesne zmiękczacze wyposażone są w sterowniki, które automatycznie uruchamiają regenerację w optymalnym momencie, minimalizując zużycie soli i wody.

W przemyśle stosuje się również złoża kationitowe w cyklach wodorowym lub sodowym, dobierane w zależności od docelowego zastosowania wody. Układy dwustopniowe pozwalają osiągnąć niemal całkowite usunięcie twardości, co jest niezbędne w kotłowniach wysokoprężnych czy w przemyśle elektronicznym.

Odżelazianie i odmanganianie

Ta metoda uzdatniania polega na tym, że z wody usuwa się, odpowiednio, nadmiar żelaza czy manganu. Efekt ten osiąga się poprzez napowietrzanie, które pozwala utlenić dwuwartościowe formy tych metali do form trójwartościowych, tworzących nierozpuszczalne w wodzie osady. Utlenianie może przebiegać w kontakcie z powietrzem atmosferycznym (metoda uproszczona) lub z wykorzystaniem utleniaczy chemicznych – ozonu, podchlorynu sodu czy nadmanganianu potasu.

Czemu ma służyć ten proces? Otóż woda ze zbyt dużą zawartością żelaza lub manganu ma nieprzyjemny, metaliczny posmak, a poza tym niezbyt ładnie pachnie. Dopuszczalna zawartość żelaza w wodzie pitnej to 0,2 mg/l, a manganu – 0,05 mg/l. Przekroczenie tych norm powoduje, że na praniu mogą pojawić się żółtobrązowe plamy, a na łazienkowej ceramice oraz armatury zacieki. Odżelazianie i odmanganianie pozwala oczywiście pozbyć się wszystkich tych problemów.

Proces napowietrzania realizowany jest w różny sposób – od prostych kaskad napowietrzających po zaawansowane systemy z wieżami aeracyjnymi i dmuchawami powietrza. Po utlenieniu związki żelaza i manganu wytrącają się w postaci osadu, który zatrzymywany jest na filtrach żwirowych lub piaskowych. Filtry te wymagają okresowego płukania wstecznego w celu usunięcia nagromadzonego osadu.

Dezynfekcja

Dezynfekcja pozwala pozbyć się z wody szkodliwych czynników biologicznych, takich jak bakterie chorobotwórcze (np. Escherichia coli, Salmonella), wirusy, pasożyty oraz glony. Woda jest środowiskiem rozwoju wielu chorobotwórczych organizmów – właśnie dlatego przecież gotujemy ją przed wypiciem, gdy korzystamy z nieznanych źródeł.

Do dezynfekcji wody oprócz wysokiej temperatury (powyżej 70°C przez co najmniej kilka minut) stosuje się też środki chemiczne, z których najczęściej wykorzystywanym jest chlor i jego pochodne. Chlorowanie jest skuteczne, tanie i pozostawia tzw. chlor resztkowy, który zabezpiecza wodę przed wtórnym skażeniem w instalacji. Ma jednak wady – reaguje z substancjami organicznymi, tworząc niepożądane produkty uboczne, a także nadaje wodzie charakterystyczny, nieprzyjemny zapach.

Coraz powszechniejsze zastosowanie znajdują też lampy UV. Sterylizacja ultrafioletem z wielu przyczyn jest korzystniejszą metodą niż na przykład chlorowanie – nie zmienia smaku ani zapachu wody, nie tworzy szkodliwych produktów ubocznych, jest bezpieczna w użyciu i nie wymaga stosowania chemikaliów. Promieniowanie UV o długości fali 254 nm niszczy DNA mikroorganizmów, uniemożliwiając im rozmnażanie. Skuteczność metody sięga 99,99% przy właściwie dobranej mocy lampy i czasie ekspozycji.

W przemyśle stosuje się również ozonowanie – ozon jest silnym utleniaczem, który niszczy drobnoustroje i jednocześnie usuwa z wody nieprzyjemne zapachy oraz rozkłada niektóre zanieczyszczenia organiczne. Wadą ozonowania jest brak działania resztkowego oraz wyższa cena instalacji.

Filtracja

W tej metodzie, zwanej inaczej sączeniem, przy użyciu aparatów zaopatrzonych w filtry, czyli specjalne porowate przegrody, oddziela się w sposób mechaniczny od wody ciała stałe, co pozwala na usunięcie zarówno drobniejszych zawiesin, jak i poważniejszych zanieczyszczeń. Skuteczność filtracji zależy od wielkości porów filtra – od filtrów zgrubnych (powyżej 100 μm) po mikrofiltry (0,1–10 μm) i ultrafiltry (poniżej 0,1 μm).

Szczególnie polecane do użytkowania w domu są filtry węglowe, dzięki którym możemy usunąć z wody chlor, pestycydy, fenole i rozmaite związki organiczne. Węgiel aktywny charakteryzuje się ogromną powierzchnią właściwą (nawet 1500 m²/g), co umożliwia skuteczną adsorpcję zanieczyszczeń. Filtry węglowe dostępne są w formie wkładów wymienianych co 3–6 miesięcy lub jako złoża regenerowane termicznie w instalacjach przemysłowych.

W przemyśle stosuje się też powszechnie systemy filtracji piaskowej, które zatrzymują większe cząstki mechaniczne. Filtry te pracują w cyklach filtracji i płukania wstecznego – gdy opór przepływu wzrasta wskutek nagromadzenia osadu, uruchamia się proces płukania, który wypłukuje zanieczyszczenia do kanalizacji. Nowoczesne systemy pracują w trybie automatycznym, kontrolując ciśnienie i inicjując płukanie w odpowiednich odstępach czasu.

Coraz popularniejsze stają się także filtry ceramiczne, które łączą skuteczność mechanicznej filtracji z właściwościami bakteriostatycznymi. Wykorzystuje się je zarówno w małych urządzeniach domowych, jak i w większych instalacjach.

Odwrócona osmoza

A oto i najdoskonalszy spośród wszystkich obecnie dostępnych sposobów filtracji. To właśnie tę metodę najpowszechniej stosuje się w przypadku dostępnej w sprzedaży wody butelkowanej. Filtracja odbywa się tu za pomocą membrany osmotycznej o nieprawdopodobnie małych otworach (0,0001–0,0005 mikrona). Taki filtr zatrzymuje nie tylko większe zanieczyszczenia, ale nawet bakterie (typowa wielkość 0,5–5 μm), wirusy (0,02–0,3 μm), a także większość rozpuszczonych soli mineralnych, metali ciężkich i związków organicznych.

Proces odwróconej osmozy polega na przepuszczaniu wody przez półprzepuszczalną membranę pod ciśnieniem przewyższającym ciśnienie osmotyczne roztworu (zazwyczaj 3–6 barów w instalacjach domowych, do 80 barów w odsalaniu wody morskiej). Efektem jest podział strumienia wody na dwa – oczyszczony permeat oraz skoncentrowany roztwór zanieczyszczeń zwany koncentratem lub retencją, który odprowadzany jest do kanalizacji.

Systemy odwróconej osmozy montowane w domach składają się zazwyczaj z kilku stopni: prefiltrów mechanicznych i węglowych chroniących membranę przed uszkodzeniem, właściwej membrany osmotycznej, zbiornika ciśnieniowego magazynującego oczyszczoną wodę oraz postfiltru (często węglowego), który nadaje wodzie końcowy smak. Instalacje te charakteryzują się wysoką skutecznością usuwania zanieczyszczeń (95–99%), ale wymagają regularnej wymiany wkładów oraz generują znaczną ilość wody odpadowej (stosunek permeat:koncentrat wynosi często 1:3 lub 1:4).

W przemyśle odwróconą osmozę stosuje się do odsalania wody morskiej, produkcji wody ultraczystej w elektronice i farmacji, zagęszczania soków oraz odzysku cennych substancji z roztworów. Jej główną zaletą jest możliwość uzyskania wody o bardzo niskiej zawartości substancji rozpuszczonych (TDS poniżej 10 mg/l) bez stosowania chemikaliów.