Veetöötlus
© Jaak Jaaku, 1996; © Jaak Jaaku, WWW - Jaak Jaaku vesine veeb!, ©1999" http://web.archive.org/web/20010404033542/http://www.matti.ee/~jaaku/
©"https://web.archive.org/web/20020930102248/http://www.veeweb.ee:80/
AA Aqua 2.0 ELULAADILEHT 2016, 2019
Eesmärk on anda joogivee parandamise teemast huvitunud inimesele teadmisi veekeemiast, keemilistest protsessidest, mis leiavad aset vee imbumisel läbi pinnase, sobivus olmevõrgus kasutamiseks, hügieenist ja vee mikrobioloogiast. Materjal on koostatud Taani veespetsialistide näpunäidetel (AS Eesti Veevärgi suunamisel osales 1995 aastal materjali koostaja joogiveealasel koolitusel Taanis Silkeborgi linnas). Veel tänan Eva Tammaru, Allan Pehap’it ja Jüri Ruutu, kes on redigeerinud ja andnud soovitusi teksti parandamiseks.
©"https://web.archive.org/web/20020930102248/http://www.veeweb.ee:80/
AA Aqua 2.0 ELULAADILEHT 2016, 2019
Eesmärk on anda joogivee parandamise teemast huvitunud inimesele teadmisi veekeemiast, keemilistest protsessidest, mis leiavad aset vee imbumisel läbi pinnase, sobivus olmevõrgus kasutamiseks, hügieenist ja vee mikrobioloogiast. Materjal on koostatud Taani veespetsialistide näpunäidetel (AS Eesti Veevärgi suunamisel osales 1995 aastal materjali koostaja joogiveealasel koolitusel Taanis Silkeborgi linnas). Veel tänan Eva Tammaru, Allan Pehap’it ja Jüri Ruutu, kes on redigeerinud ja andnud soovitusi teksti parandamiseks.
1.Veetöötlus
© Jaak Jaaku, 1996; © Jaak Jaaku, WWW - "Jaak Jaaku vesine veeb!, 1999"
Materjal on koostatud Taani veespetsialistide näpunäidetel (AS Eesti Veevärgi suunamisel osales 1995 aastal materjali koostaja joogiveealasel koolitusel Taanis Silkeborgi linnas). Veel tänan Eva Tammaru, Allan Pehap’it ja Jüri Ruutu, kes on redigeerinud ja andnud soovitusi teksti parandamiseks.
1.1 Põhjavee töötlemine
Põhjavett, mis looduslikult sisaldab palju raua ja mangaani ühendeid, tuleb soovitavalt aereerida ning filtreerida ühe- või kaheastmeliselt . Vastavalt vajadusele võib järgneda ka keemiline või bioloogiline töötlus. Õige tehnoloogiline meetod valitakse põhjavees sisalduvate keemiliste ühendite kontsentratsioonide põhjal.
Vee aereerimisel raua ja mangaani ühendid oksüdeeruvad, nende raskelt lahustuvad hüdroksiidid eemaldatakse ühe- või kaheastmelise filtreerimise teel. Kui vees on gaase - metaani (CH4) ja vesiniksulfiidi (H2S) või ammooniumiooni, tuleb need ühendid samuti oksüdeerida vee tugevama aereerimisega.
Veetöötlus jagatakse eeltöötluseks, mis hõlmab vee aereerimist ja filtreerimist. Kui vesi sisaldab agressiivset süsihappegaasi, võib eeltöötluses kasutada vee neutraliseerimist.
1.2 Vee õhustamine (aereerimine)
Ebasoovitavate lisandite oksüdeerimiseks aereerimisel kasutatakse järgnevat terminoloogiat:
- oksüdatsioon (*oxidation), mis tähendab lisandite reageerimist hapnikuga, kas keemiliselt või bioloogiliselt;
- aeratsioon (*aeration) (siin mõeldud atmosfääriõhuga), kujutab endast kahte protsessi :
a) hapniku absorptsioon (imama) , õhus sisalduv hapnik seguneb veega absorptsiooni teel. See on seotud oksüdatsiooniprotsessidega. Hapniku lahustuvus sõltub temperatuurist ja rõhust. Normaaltingimustel on hapniku lahustuvus vees 11 mg/l.
b)gaaside desorptsioon - samaaegselt hapniku absorptsiooniga vees toimub vees lahustunud gaaside desorptsioon. Need gaasid on süsinikdioksiid (CO2) , metaan (CH4), vesiniksulfiid (H2S) . Seda sageli käsitletakse kui aeratsiooni protsessi.
1.3 Hapnikutarve
Hapnikku tarbivate ühendite sisaldusest vees annab tunnistust põhjavee hapnikudefitsiit ja veetöötluskäigus kulub hapnikku teatud ühendite oksüdeerimiseks.
Need ühendid on:
-kahevalentne raud (Fe²+);
-mangaan (Mn²+);
-orgaanilised ained (hinnatakse kaaliumpermanganaadi (KMnO4) kulu abil;
-metaan (CH4);
-vesiniksulfiid (H2S);
-lämmastikuühendid (ammooniumioon NH4+, nitritioon NO2- ja nitraatiooni NO3-)
-vesinik H2.
Metaani (CH4) ja vesiniksulfiidi (H2S) sisaldus vees näitab tugevama veeaeratsiooni vajadust veetöötlusjaamas, et vältida jaotusvõrgu vees hapnikku defitsiiti. Ammoniaak esineb vees sooladena, mitte ammoniaagina (gaas NH3). See tähendab ,et ammoniaaki ei ole võimalik oksüdeerida normaalsetel pH väärtustel aeratsiooni teel.
1.4 Hapnikutarbe arvutamine
Et arvutada aeratsiooniks kuluv hapnikku kogust, on vaja vaadelda ühendite oksüdeerimisreaktsioone eraldi. Hapnikku tarve arvutatakse oksüdatsiooni reaktsiooni stöhhiomeetriliste koefitsientide abil.
© Jaak Jaaku, 1996; © Jaak Jaaku, WWW - "Jaak Jaaku vesine veeb!, 1999"
Materjal on koostatud Taani veespetsialistide näpunäidetel (AS Eesti Veevärgi suunamisel osales 1995 aastal materjali koostaja joogiveealasel koolitusel Taanis Silkeborgi linnas). Veel tänan Eva Tammaru, Allan Pehap’it ja Jüri Ruutu, kes on redigeerinud ja andnud soovitusi teksti parandamiseks.
- 1.1 Põhjavee töötlemine
- 1.2 Vee aereerimine
- 1.3 Hapnikutarve
- 1.4 Hapnikutarbe arvutamine
- 1.5.Hapnikupuudus vees
- 1.6. Agressiivne süsinikdioksiid
- 2.Vee filtreerimine
- 2.1. Filtreerimine läbi liiva.
- 2.2. Kaheastmeline filtreerimine
- 3. Filtreerimisprotsess
1.1 Põhjavee töötlemine
Põhjavett, mis looduslikult sisaldab palju raua ja mangaani ühendeid, tuleb soovitavalt aereerida ning filtreerida ühe- või kaheastmeliselt . Vastavalt vajadusele võib järgneda ka keemiline või bioloogiline töötlus. Õige tehnoloogiline meetod valitakse põhjavees sisalduvate keemiliste ühendite kontsentratsioonide põhjal.
Vee aereerimisel raua ja mangaani ühendid oksüdeeruvad, nende raskelt lahustuvad hüdroksiidid eemaldatakse ühe- või kaheastmelise filtreerimise teel. Kui vees on gaase - metaani (CH4) ja vesiniksulfiidi (H2S) või ammooniumiooni, tuleb need ühendid samuti oksüdeerida vee tugevama aereerimisega.
Veetöötlus jagatakse eeltöötluseks, mis hõlmab vee aereerimist ja filtreerimist. Kui vesi sisaldab agressiivset süsihappegaasi, võib eeltöötluses kasutada vee neutraliseerimist.
1.2 Vee õhustamine (aereerimine)
Ebasoovitavate lisandite oksüdeerimiseks aereerimisel kasutatakse järgnevat terminoloogiat:
- oksüdatsioon (*oxidation), mis tähendab lisandite reageerimist hapnikuga, kas keemiliselt või bioloogiliselt;
- aeratsioon (*aeration) (siin mõeldud atmosfääriõhuga), kujutab endast kahte protsessi :
a) hapniku absorptsioon (imama) , õhus sisalduv hapnik seguneb veega absorptsiooni teel. See on seotud oksüdatsiooniprotsessidega. Hapniku lahustuvus sõltub temperatuurist ja rõhust. Normaaltingimustel on hapniku lahustuvus vees 11 mg/l.
b)gaaside desorptsioon - samaaegselt hapniku absorptsiooniga vees toimub vees lahustunud gaaside desorptsioon. Need gaasid on süsinikdioksiid (CO2) , metaan (CH4), vesiniksulfiid (H2S) . Seda sageli käsitletakse kui aeratsiooni protsessi.
1.3 Hapnikutarve
Hapnikku tarbivate ühendite sisaldusest vees annab tunnistust põhjavee hapnikudefitsiit ja veetöötluskäigus kulub hapnikku teatud ühendite oksüdeerimiseks.
Need ühendid on:
-kahevalentne raud (Fe²+);
-mangaan (Mn²+);
-orgaanilised ained (hinnatakse kaaliumpermanganaadi (KMnO4) kulu abil;
-metaan (CH4);
-vesiniksulfiid (H2S);
-lämmastikuühendid (ammooniumioon NH4+, nitritioon NO2- ja nitraatiooni NO3-)
-vesinik H2.
Metaani (CH4) ja vesiniksulfiidi (H2S) sisaldus vees näitab tugevama veeaeratsiooni vajadust veetöötlusjaamas, et vältida jaotusvõrgu vees hapnikku defitsiiti. Ammoniaak esineb vees sooladena, mitte ammoniaagina (gaas NH3). See tähendab ,et ammoniaaki ei ole võimalik oksüdeerida normaalsetel pH väärtustel aeratsiooni teel.
1.4 Hapnikutarbe arvutamine
Et arvutada aeratsiooniks kuluv hapnikku kogust, on vaja vaadelda ühendite oksüdeerimisreaktsioone eraldi. Hapnikku tarve arvutatakse oksüdatsiooni reaktsiooni stöhhiomeetriliste koefitsientide abil.
Tabel 1. Reaktsioonivõrrandid ja hapnikutarve põhjavees sisalduvate ühendite oksüdeerimiseks.
Ühend |
Reaktsioonivõrrand/ iseloomulikud mikroorganismid |
Ühik (mgO2/mg ühendi kohta) |
|
Metaan |
CH4 |
CH4 + 2O2 => CO2 + 2H2O (Methanomonas) |
4 |
Ammooniumioon |
NH4+ |
||
*(2) 2NO2¯ + 3O2 => 2NO3¯ (Nitrobakter) |
3,6 |
||
Vesiniksulfiid |
H2S |
2H2S + O2 => 2S + 2H2O (pseudomonaadid) |
0,5 |
2S + 3O2 + 2H2O => H2SO4 |
|||
Kahevalentne mangaan |
Mn²+ |
2Mn(HCO3)2 + O2 + 2H2O=> 2Mn(OH)4 + 4CO2 |
0,29 |
Kahevalentne raud |
Fe²+ |
FeCO3 + CO2 + H2O = Fe(HCO3)2 |
. |
4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O=>4Fe(OH)3 + 8CO2 |
0,143 |
||
Oksüdeeritavus |
PHT |
KMnO4 kulu tiitrimisel, ei ole stöhhiomeetriline rektsioon |
0,253 |
Viimane uuendus on 21.02.2024 Jaak Jaaku
Märkus: *(1 ja 2) - toimub vastavate bakterite juuresolekul. Nende ühendite oksüdeerimine võib olla keeruline ja suure hapniku tarbega. Reaktsiooni suund sõltub vee taandavatest või oksüdeerivatest omadustest.
Märkus: *(1 ja 2) - toimub vastavate bakterite juuresolekul. Nende ühendite oksüdeerimine võib olla keeruline ja suure hapniku tarbega. Reaktsiooni suund sõltub vee taandavatest või oksüdeerivatest omadustest.
Kahevalentse raudiooni oksüdeerimisest võivad samuti osa võtta bakterid. Toimuv protsess on autokatalüütiline ning võib edasi toimuda iseeneslikult, katalüsaatoriks on kolmevalentne raud ise.
Mangaan on sageli vees mangaanbikarbonaadina (Mn(HCO3)2). Kahevalentse mangaaniooni oksüdeerimisel on vaja teada, et mangaanbikarbonaat moodustab filtri materjali osakestel autokatalüütilise kihi.
Ammooniumi võib leida looduslikus vees sügavates kaevudes. Ammoonium on stabiilne anaeroobses keskkonnas. Aeroobsetes protsessides (hapnikku tarbivad), mis toimuvad vee aereerimisel, ammooniumioon (taandunud lämmastik ) muutub nitraatiooniks NO3- (oksüdeerunud lämmastik ) bakterite juuresolekul ning seda protsessi nimetatakse nitrifikatsiooniks.
Tingimustes, kus vees on palju vaba hapnikku ja pH on väärtuste vahemikus 7,5 - 8,3 toimub protsess etapiliselt:
NH4+ => NO2¯ => NO3¯ , mis näitab, et nitritioon on ammoniaagi biokeemilise oksüdeerumise ebastabiilne vaheprodukt. Nitritioon (NO2¯) ei ole soovitav joogivees, samuti ka nitraat (NO3¯).
Teoreetiline hapnikutarve nitrifikatsiooni toimumiseks on järgmine:
3,4 mg O2 kulub 1mg ammooniumiooni (NH4+) muutmiseks nitraatiooniks (NO3¯).
Vees sisalduv ammooniumioon (NH4+) kasutatakse bakterite (nende olemasolul filtril) poolt proteiini tootmiseks (nitrifitseerivad , mangaani ja rauabakterid) ja jaotusvõrku satub vähesel määral. Seepärast tegelik hapnikutarve (edaspidi HT) nende ühendite oksüdeerimiseks võib olla väiksem.
Tavaliselt põhjavees vee orgaaniliste ainete olemasolu näitav permanganaatne oksüdeeritavus (edaspidi PHT, vaata ka TOC) ei ole suur. Orgaanilised ained on vees sageli lahustunud , kuid kergelt lagunevad. Kui lagunemine toimub (oksüdeerimine ) filtril, ei suurenda see oluliselt HT. Vastavate bakterite juuresolekul vee aereerimsel toimub metaani (CH4) ja väävelvesiniku (H2S) oksüdeerumine. Tingimustes, kus määratakse metaani (CH4) ja väävelvesiniku (H2S) sisaldus on vees vastavalt < 0,4 mg/l CH4 ja <0,2 mg/l H2S, on hapnikutarve maksimaalselt 2,6 mg/l.
Bakterite olemasoluks pole filtrid siiski head ning parem on vett rohkem aereerida.
Teades toimuvaid oksüdatsioonireaktsioone, saab välja arvutada hapnikuhulga, mis on teadaoleva veekoostise puhul aereerimiseks tarvis. Hapniktarbe põhjal arvestatakse õhu kulu, arvestades aeratsiooniprotsesi intensiivsusega. Praktikas on välja selgitatud kindel seos , et aeglasel aeratsioonil reaalselt toimuvate oksüdatsioonireaktsioonide O2 vajadus on suurem kui arvutuslikult saadud hapnikutarve.
Hapnikutarbe arvutamine on vajalik, et hinnata veetöötluse efektiivsust. Kontrolli teostatakse veeanalüüsidega, mis näitavad vastavate ebasoovitavate lisandite sisaldust töödeldud vees.
1.5.Hapnikupuudus vees
Kui vee töötlemise käigus hapniku sisaldus ei ole piisav, põhjustab see probleeme, mis võivad selguda alles tarbijatepoolse rahulolematuse põhjal.
Üks levinumaid probleeme võib olla suur ammooniumiooni sisaldus vees, mis nõuab oksüdeerumiseks rohkelt hapnikku. Kui vajalik lahustunud hapniku kogus vees ei ole piisav, võib ammooniumioon jääda vette. Jääkammoonium oksüdeerub osaliselt nitritiooniks (NO2¯) , mida võib analüüsimisel siis veest leida. Samal ajal võib nitritioon edasisel oksüdeerumisel muutuda nitraatiooniks, ning vees lahustunud hapnikku sisaldus langeb jaotusvõrgus alla nõutud 5 mg O2 /l . Nüüd võib protsess mitmesugustel koosmõjudel ja täiendavalt oksüdeerimist vajavate ainete ilmumisel muuta suunda, nitraadist saab nitrit ja jällegi ammooniumioon. Samuti suureneb oht vesiniksulfiidi tekkeks, eriti kui on suur vee orgaanika ja sulfaadi sisaldus ning torude korrodeerumisel lisandub väävlit. Lisandub anaeroobsete mikroorganismide tegevus ja kõigi koosmõjul halveneb joogivee maitse, ilmub ebameeldiv lõhn ja jaotusvõrgu iga lüheneb. Nii kaotatakse raha ja inimeste tervist.
1.6. Agressiivne süsinikdioksiid
Eriti lubjakivilademetes moodustunud vesi võib sisaldada agressiivset süsinikdioksiidi (CO2).
2CO2 + Ca(OH)2 ⇌ Ca(HCO3)2 + H2O
Ca(HCO3)2 <=> CaCO3
Agressiivse süsihappegaasi sisaldustel >5 mg/l nõuab toorvesi eritöötlust. Vett tuleb neutraliseerida kustutatud lubjaga, et vältida jaotusvõrgu korrosiooni. Korrosiooniga võib jaotusvõrgust vette sattuda ka ebasoovitavaid raskemetalle (plii, tsink). Vee neutraliseerimiseks tuleb vee pH väärtust tõsta. Neutraliseerimiseks kasutatakse tavaliselt kuiva kustutatud lupja (Ca(OH)2 ) või lubjavett (5%).
2.Vee filtreerimine
Vee filtreerimine on nii füüsikaline kui ka füüsikalis-keemiline protsess.
Väga väikeste aineosakeste puhul ei ole füüsikaline filtreerimisprotsess piisavalt efektiivne . Sel puhul kasutatakse membraanfiltreid, kus nii aine molekulid kui ka ioonid eemaldatakse. Ioone saab eemaldada ka ioonvahetusega.
Filtreerimisel läbi keskmise suurusega filtermaterjalist on tavaliselt laminaarne ja vool on rahulik, vees ei teki turbulentsi. Aineosakeste filtreerimine koosneb sõelumisest, settimisest, kinnihoidmisest ja difusioonist. Filtratsiooni toimumiseks peab olema kontakt ning adhesioon (seotus) aineosakese ja filtrimaterjali (tera) vahel. . Märkus*: nn. Browni liikumine on olulise rolliga ainult väga väikeste osakeste puhul (< 1/1000 mm).
Vähemalt kolm mehhanismi on määratletavad:
- molekulaarsed jõud (van der Waalsi jõud so elektroneutraalsete ja valentsküllastatud kovalentsete sidemetega molekulide vastastiktoime )
- molekulaarsed sidemed (vesinikside);
- elektrostaatilised jõud (pinnalaengud aineosakeste ja filtri materjali vahel) - erinimeliste laengute tõmbumine ja samanimeliste laengute tõukumine).
Siduvuse puhul on väga tähtis kaugused aineosakeste ja filtrimaterjali vahel. Vastastikuste molekulaarsete jõudude tekkimiseks on vajalik aineosakese ja filtrimaterjali tihe kokkupuude.
2.1. Filtreerimine läbi liiva.
Taanis, Saksamaal, Rootsis ja paljudes teistes riikides kasutatakse ühekihilistes filtrites eelnevalt töödeldud, pestud ja sõelutud liivakvartsi. Liivaterakeste suurus filtreerimisel varieerub suuresti sõltudes puhastamise eesmärgist. Liiva sorteeritakse terakeste suuruse järgi standardiseeritud sõelade abil. Saadaoleva liiva terakeste suuruse järgi varieerub ka filtri materjal ¸ 0,9 - 1,4 mm.
Filtreid eristatakse:
Filtrid jagunevad oma ehituselt:
2.2. Kaheastmeline filtreerimine
Filtreerimisel on tähtis teada kuidas toimub tegelikkuses ühendite sadenemine ja paigutus ning sette paksus filtril. Ideaalne oleks sadenemine kogu kihi ulatuses kõigil osakestel ühtemoodi. Praktikas ei ole see võimalik, kuna liivakihil, mida regenereeritakse tagasipesuga, on alati peenemad osakesed ülemistes kihtides ning jämedamateralised osakesed all. See terakeste jaotus tingib ebaühtlase ühendite sadenemise nii ajaliselt kui kihi paksuselt.
Parim filtreerimise efektiivsus saavutatakse kui terakeste suurus on peenem filtri alumises osas. Seetõttu ongi kasutusel 2-kihilised filtrid. Põhjuseks, miks jämedateralisem materjal asub ülevalpool peenemateralisest liivast on see, et ülemise kihi tihedus on väiksem kui alumisel. Seetõttu kihid ei segune. Enamkasutatav söefilter on antratsiidist, mis asub kvartsliiva peal. Kahekihiline filter on väga efektiivne filtri tüüp kiireks filtreerimiseks.
3. Filtreerimisprotsess
Üldiselt kasutatakse eeltöötluse läbiviimiseks filtreerimist, samuti ka aeratsiooni ning toorvee neutraliseerimist, kui see on vajalik. Olenevalt vee raua , mangaani ja ammooniumi sisaldusest võib eeltöötlus piirduda ainult filtreerimisega, kui väljasadenevate ühendite hulk on väike, või kaheastmelise filtreerimisega kui sademe hulk on suurem. Filtratsiooni puhul vesi puhastatakse ebasoovitavatest ühenditest füüsikalis-keemiliste ja bakterioloogiliste protsesside tulemusena. Filtrite ehitus peaks olema niisugune, et nad sobiksid järgmisteks eesmärkideks:
a) - sedimentatsioon füüsikalis-keemiliste protsesside tulemusena *;
b) - sedimentatsioon bakterioloogiliste protsesside tulemusena *.
Toorvee kvaliteedist sõltub filtri tüüp ja materjali valik ehituseks, filtreeriv materjal ning osakeste suurus . See loomulikult ei tähenda, et standardseid filtreid ei peaks valmistama.
Filtri puhul on tähtis parameeter tema efektiivne mahutavus, mis tagab vajaliku kestvusega filtreerimisaja ilma, et filtri takistus tõuseks nii suureks, et tekiks filtrist läbivoolu oht. Filtri takistus on ilmses sõltuvuses sadenevast ainehulgast filtrile. Setete tekkimisel osakeste vahelised poorid ning vee hulk, mis läbib filtrit, väheneb.
Teades filtreeimiskiirust ning filtri mahutavust valitakse filtri materjal, hulk ja tüüp. Osakeste suurusel on seejuures otsustav tähtsus filtreerimisel. Nende nõuete kohaselt valitakse filtri tüüp ja määratakse tingimused. Filtri tüübi valikul tuleb otsustada aeglase või kiire vahel.
Viimase 20 aasta jooksul on paljudes riikides kasutatud kaheastmelisi filtreid. See filter on väga efektiivne tugevaks filtreerimiseks. Ülemiseks kihiks on antratsiit. Antratsiit on süsi, mida saadakse kaevandustest (näiteks Saksamaalt) ja jaguneb erineva osakeste suurusega materjaliks. Antratsiiti kombineeritakse koos kvartsliivaga teises kihis.
Filtri õigel valikul tuleb lähtuda toorvee omadustest ja puhastusastme valikust . Suur tähtsus on puhastusseadme õigel töö režiimil. See väljendub näiteks filtreerimise kiiruses ja tagasipesus filtri regenereerimiseks enne uut filtreerimistsüklit. Filtri regenereerimine(taastamine) on vajalik filtri takistuse vähendamiseks ning sette eemaldamiseks.
Filtreerimise alguses filtri takistus või rõhulangus kasvab lineaarselt sadenemiskiirusega , hiljem toimub protsess logaritmilises sõltuvuses. Filtreerimiskiiruse kestvus peaks olema nii suur kui võimalik kuid ilma läbivoolu riskita mida näitab näiteks puhastatud vee rauasisalduse tõus. Filtreerimise pikem kestvus saavutatakse teiste meetoditega, näiteks filtri regenereerimiseks kasutatava (usaldusväärse ) sobiva tehnika valikuga.
Uuendatud: 12.05.2022
Mangaan on sageli vees mangaanbikarbonaadina (Mn(HCO3)2). Kahevalentse mangaaniooni oksüdeerimisel on vaja teada, et mangaanbikarbonaat moodustab filtri materjali osakestel autokatalüütilise kihi.
Ammooniumi võib leida looduslikus vees sügavates kaevudes. Ammoonium on stabiilne anaeroobses keskkonnas. Aeroobsetes protsessides (hapnikku tarbivad), mis toimuvad vee aereerimisel, ammooniumioon (taandunud lämmastik ) muutub nitraatiooniks NO3- (oksüdeerunud lämmastik ) bakterite juuresolekul ning seda protsessi nimetatakse nitrifikatsiooniks.
Tingimustes, kus vees on palju vaba hapnikku ja pH on väärtuste vahemikus 7,5 - 8,3 toimub protsess etapiliselt:
NH4+ => NO2¯ => NO3¯ , mis näitab, et nitritioon on ammoniaagi biokeemilise oksüdeerumise ebastabiilne vaheprodukt. Nitritioon (NO2¯) ei ole soovitav joogivees, samuti ka nitraat (NO3¯).
Teoreetiline hapnikutarve nitrifikatsiooni toimumiseks on järgmine:
3,4 mg O2 kulub 1mg ammooniumiooni (NH4+) muutmiseks nitraatiooniks (NO3¯).
Vees sisalduv ammooniumioon (NH4+) kasutatakse bakterite (nende olemasolul filtril) poolt proteiini tootmiseks (nitrifitseerivad , mangaani ja rauabakterid) ja jaotusvõrku satub vähesel määral. Seepärast tegelik hapnikutarve (edaspidi HT) nende ühendite oksüdeerimiseks võib olla väiksem.
Tavaliselt põhjavees vee orgaaniliste ainete olemasolu näitav permanganaatne oksüdeeritavus (edaspidi PHT, vaata ka TOC) ei ole suur. Orgaanilised ained on vees sageli lahustunud , kuid kergelt lagunevad. Kui lagunemine toimub (oksüdeerimine ) filtril, ei suurenda see oluliselt HT. Vastavate bakterite juuresolekul vee aereerimsel toimub metaani (CH4) ja väävelvesiniku (H2S) oksüdeerumine. Tingimustes, kus määratakse metaani (CH4) ja väävelvesiniku (H2S) sisaldus on vees vastavalt < 0,4 mg/l CH4 ja <0,2 mg/l H2S, on hapnikutarve maksimaalselt 2,6 mg/l.
Bakterite olemasoluks pole filtrid siiski head ning parem on vett rohkem aereerida.
Teades toimuvaid oksüdatsioonireaktsioone, saab välja arvutada hapnikuhulga, mis on teadaoleva veekoostise puhul aereerimiseks tarvis. Hapniktarbe põhjal arvestatakse õhu kulu, arvestades aeratsiooniprotsesi intensiivsusega. Praktikas on välja selgitatud kindel seos , et aeglasel aeratsioonil reaalselt toimuvate oksüdatsioonireaktsioonide O2 vajadus on suurem kui arvutuslikult saadud hapnikutarve.
Hapnikutarbe arvutamine on vajalik, et hinnata veetöötluse efektiivsust. Kontrolli teostatakse veeanalüüsidega, mis näitavad vastavate ebasoovitavate lisandite sisaldust töödeldud vees.
1.5.Hapnikupuudus vees
Kui vee töötlemise käigus hapniku sisaldus ei ole piisav, põhjustab see probleeme, mis võivad selguda alles tarbijatepoolse rahulolematuse põhjal.
Üks levinumaid probleeme võib olla suur ammooniumiooni sisaldus vees, mis nõuab oksüdeerumiseks rohkelt hapnikku. Kui vajalik lahustunud hapniku kogus vees ei ole piisav, võib ammooniumioon jääda vette. Jääkammoonium oksüdeerub osaliselt nitritiooniks (NO2¯) , mida võib analüüsimisel siis veest leida. Samal ajal võib nitritioon edasisel oksüdeerumisel muutuda nitraatiooniks, ning vees lahustunud hapnikku sisaldus langeb jaotusvõrgus alla nõutud 5 mg O2 /l . Nüüd võib protsess mitmesugustel koosmõjudel ja täiendavalt oksüdeerimist vajavate ainete ilmumisel muuta suunda, nitraadist saab nitrit ja jällegi ammooniumioon. Samuti suureneb oht vesiniksulfiidi tekkeks, eriti kui on suur vee orgaanika ja sulfaadi sisaldus ning torude korrodeerumisel lisandub väävlit. Lisandub anaeroobsete mikroorganismide tegevus ja kõigi koosmõjul halveneb joogivee maitse, ilmub ebameeldiv lõhn ja jaotusvõrgu iga lüheneb. Nii kaotatakse raha ja inimeste tervist.
1.6. Agressiivne süsinikdioksiid
Eriti lubjakivilademetes moodustunud vesi võib sisaldada agressiivset süsinikdioksiidi (CO2).
2CO2 + Ca(OH)2 ⇌ Ca(HCO3)2 + H2O
Ca(HCO3)2 <=> CaCO3
Agressiivse süsihappegaasi sisaldustel >5 mg/l nõuab toorvesi eritöötlust. Vett tuleb neutraliseerida kustutatud lubjaga, et vältida jaotusvõrgu korrosiooni. Korrosiooniga võib jaotusvõrgust vette sattuda ka ebasoovitavaid raskemetalle (plii, tsink). Vee neutraliseerimiseks tuleb vee pH väärtust tõsta. Neutraliseerimiseks kasutatakse tavaliselt kuiva kustutatud lupja (Ca(OH)2 ) või lubjavett (5%).
2.Vee filtreerimine
Vee filtreerimine on nii füüsikaline kui ka füüsikalis-keemiline protsess.
Väga väikeste aineosakeste puhul ei ole füüsikaline filtreerimisprotsess piisavalt efektiivne . Sel puhul kasutatakse membraanfiltreid, kus nii aine molekulid kui ka ioonid eemaldatakse. Ioone saab eemaldada ka ioonvahetusega.
Filtreerimisel läbi keskmise suurusega filtermaterjalist on tavaliselt laminaarne ja vool on rahulik, vees ei teki turbulentsi. Aineosakeste filtreerimine koosneb sõelumisest, settimisest, kinnihoidmisest ja difusioonist. Filtratsiooni toimumiseks peab olema kontakt ning adhesioon (seotus) aineosakese ja filtrimaterjali (tera) vahel. . Märkus*: nn. Browni liikumine on olulise rolliga ainult väga väikeste osakeste puhul (< 1/1000 mm).
Vähemalt kolm mehhanismi on määratletavad:
- molekulaarsed jõud (van der Waalsi jõud so elektroneutraalsete ja valentsküllastatud kovalentsete sidemetega molekulide vastastiktoime )
- molekulaarsed sidemed (vesinikside);
- elektrostaatilised jõud (pinnalaengud aineosakeste ja filtri materjali vahel) - erinimeliste laengute tõmbumine ja samanimeliste laengute tõukumine).
Siduvuse puhul on väga tähtis kaugused aineosakeste ja filtrimaterjali vahel. Vastastikuste molekulaarsete jõudude tekkimiseks on vajalik aineosakese ja filtrimaterjali tihe kokkupuude.
2.1. Filtreerimine läbi liiva.
Taanis, Saksamaal, Rootsis ja paljudes teistes riikides kasutatakse ühekihilistes filtrites eelnevalt töödeldud, pestud ja sõelutud liivakvartsi. Liivaterakeste suurus filtreerimisel varieerub suuresti sõltudes puhastamise eesmärgist. Liiva sorteeritakse terakeste suuruse järgi standardiseeritud sõelade abil. Saadaoleva liiva terakeste suuruse järgi varieerub ka filtri materjal ¸ 0,9 - 1,4 mm.
Filtreid eristatakse:
- - aeglased filtrid väga peeneteralise liivaga ø 0,1 - 0,2mm ja väga väikese filtreerimiskiirusega 0,1 - 0,7 m/ tunnis (h).
- - kiired filtrid suurte osakestega ¸ 1 - 5 mm ja suure filtreerimiskiirusega 5 - 8 m/h kuni 20m/h.
Filtrid jagunevad oma ehituselt:
- - gravitatsioonifiltrid;
- - pressfiltrid.
2.2. Kaheastmeline filtreerimine
Filtreerimisel on tähtis teada kuidas toimub tegelikkuses ühendite sadenemine ja paigutus ning sette paksus filtril. Ideaalne oleks sadenemine kogu kihi ulatuses kõigil osakestel ühtemoodi. Praktikas ei ole see võimalik, kuna liivakihil, mida regenereeritakse tagasipesuga, on alati peenemad osakesed ülemistes kihtides ning jämedamateralised osakesed all. See terakeste jaotus tingib ebaühtlase ühendite sadenemise nii ajaliselt kui kihi paksuselt.
Parim filtreerimise efektiivsus saavutatakse kui terakeste suurus on peenem filtri alumises osas. Seetõttu ongi kasutusel 2-kihilised filtrid. Põhjuseks, miks jämedateralisem materjal asub ülevalpool peenemateralisest liivast on see, et ülemise kihi tihedus on väiksem kui alumisel. Seetõttu kihid ei segune. Enamkasutatav söefilter on antratsiidist, mis asub kvartsliiva peal. Kahekihiline filter on väga efektiivne filtri tüüp kiireks filtreerimiseks.
3. Filtreerimisprotsess
Üldiselt kasutatakse eeltöötluse läbiviimiseks filtreerimist, samuti ka aeratsiooni ning toorvee neutraliseerimist, kui see on vajalik. Olenevalt vee raua , mangaani ja ammooniumi sisaldusest võib eeltöötlus piirduda ainult filtreerimisega, kui väljasadenevate ühendite hulk on väike, või kaheastmelise filtreerimisega kui sademe hulk on suurem. Filtratsiooni puhul vesi puhastatakse ebasoovitavatest ühenditest füüsikalis-keemiliste ja bakterioloogiliste protsesside tulemusena. Filtrite ehitus peaks olema niisugune, et nad sobiksid järgmisteks eesmärkideks:
a) - sedimentatsioon füüsikalis-keemiliste protsesside tulemusena *;
b) - sedimentatsioon bakterioloogiliste protsesside tulemusena *.
- a) käsitleb põhiliselt oksüdeerunud raua ja mangaani ühendite settimist, ka siin võivad esineda bakterioloogilised protsessid, eriti mangaani oksüdeerumisel. Ühine on see, et sete adsorbeerub filtriterale ja eemaldatakse sellelt tagasipesuga.
- b) käsitleb põhiliselt ammooniumiooni oksüdeerumist ja orgaanilise aine lagunemis-produktide settimist ning metaani ja väävelvesiniku jääkkontsentratsiooni.
Toorvee kvaliteedist sõltub filtri tüüp ja materjali valik ehituseks, filtreeriv materjal ning osakeste suurus . See loomulikult ei tähenda, et standardseid filtreid ei peaks valmistama.
Filtri puhul on tähtis parameeter tema efektiivne mahutavus, mis tagab vajaliku kestvusega filtreerimisaja ilma, et filtri takistus tõuseks nii suureks, et tekiks filtrist läbivoolu oht. Filtri takistus on ilmses sõltuvuses sadenevast ainehulgast filtrile. Setete tekkimisel osakeste vahelised poorid ning vee hulk, mis läbib filtrit, väheneb.
Teades filtreeimiskiirust ning filtri mahutavust valitakse filtri materjal, hulk ja tüüp. Osakeste suurusel on seejuures otsustav tähtsus filtreerimisel. Nende nõuete kohaselt valitakse filtri tüüp ja määratakse tingimused. Filtri tüübi valikul tuleb otsustada aeglase või kiire vahel.
Viimase 20 aasta jooksul on paljudes riikides kasutatud kaheastmelisi filtreid. See filter on väga efektiivne tugevaks filtreerimiseks. Ülemiseks kihiks on antratsiit. Antratsiit on süsi, mida saadakse kaevandustest (näiteks Saksamaalt) ja jaguneb erineva osakeste suurusega materjaliks. Antratsiiti kombineeritakse koos kvartsliivaga teises kihis.
Filtri õigel valikul tuleb lähtuda toorvee omadustest ja puhastusastme valikust . Suur tähtsus on puhastusseadme õigel töö režiimil. See väljendub näiteks filtreerimise kiiruses ja tagasipesus filtri regenereerimiseks enne uut filtreerimistsüklit. Filtri regenereerimine(taastamine) on vajalik filtri takistuse vähendamiseks ning sette eemaldamiseks.
Filtreerimise alguses filtri takistus või rõhulangus kasvab lineaarselt sadenemiskiirusega , hiljem toimub protsess logaritmilises sõltuvuses. Filtreerimiskiiruse kestvus peaks olema nii suur kui võimalik kuid ilma läbivoolu riskita mida näitab näiteks puhastatud vee rauasisalduse tõus. Filtreerimise pikem kestvus saavutatakse teiste meetoditega, näiteks filtri regenereerimiseks kasutatava (usaldusväärse ) sobiva tehnika valikuga.
Uuendatud: 12.05.2022