Veden sisältämät epäpuhtaudet ja raakaveden esikäsittely Susanna Vähäsarja ÅF-Consult

Transkriptio

1 Veden sisältämät epäpuhtaudet ja raakaveden esikäsittely Susanna Vähäsarja ÅFConsult Sisältö Vesilähteet Veden sisältämien epäpuhtauksien jaottelu Veden epäpuhtauksien aiheuttamat ongelmat Veden epäpuhtauksien poistaminen Eri vesilähteiden vaatimat puhdistusprosessit 2 1

2 70% maapallon pinnasta 3 Vesilähteet Pohjavesi Pintavesi 4 2

3 Vesi H 2 O 105º Hyvä liuotin vedessä aina epäpuhtauksia 5 Epäpuhtauksien jaottelu Liukenemattomat, kiinteät epäpuhtaudet Liukoiset Kolloidiset Suspendoituneet kiintoaineet 6 3

4 Liukenemattomat epäpuhtaudet Jaottelu koon perusteella Kelluvat Suspendoituneet Pohjaan laskeutuneet Jaottelu koostumuksen mukaan Orgaaniset epäpuhtaudet Levät Bakteerit Virukset Epäorgaaniset epäpuhtaudet Savi Lieju Hiekka 7 Kolloidiset epäpuhtaudet Pieniä liukenemattomia epäpuhtauksia, joita ei voi nähdä paljaalla silmällä tai mikroskoopilla Partikkelikoko 0,1 100 µm Tyypillisiä kolloidisten yhdisteiden muodostajia: Silikaatti Rauta Mangaani Humus 8 4

5 Liuenneet epäpuhtaudet Kationi Liuenneet suolat Liuenneita mineraaleja Kationeja ja anioneja Liuenneet orgaaniset yhdisteet Ammiakkiyhdisteet (amiinit) Orgaaniset hapot Liuenneet kaasut CO 2 N 2 O 2 NaCl Na + + Cl Anioni 9 Liukoisten epäpuhtauksien tyypillisiä pitoisuuksia Pitoisuus (tyypillisesti) > 1 mg/l > 0,1 mg/l > 0,01 mg/l < 0,01 mg/l Liukoiset orgaaniset yhdisteet Kationit Kalsium, Ca +2 Magnesium, Mg +2 Natrium, Na + Anionit Bikarbonaatti, HCO 3 Karbonaatti, CO 3 2 Kloridi, Cl Sulfaatti, SO 4 2 Silikaatti, SiO 3 2 Kationit Ammoniakki, NH 3 + Kalium, K + Anionit Boraatti, BO 3 3 Fluori, F Nitraatti, NO 3 Rauta, Fe +2, Fe +3 Alumiini, Al Arseeni, As Barium, Ba Bromi, Br Kupari, Cu Lyijy, Pb Litium, Li Mangaani, Mn Fosfaatti, P Sinkki, Zn Antimoni, Sb Kadmium, Cd Kromi, Cr Koboltti, Co Elohopea, Hg Nikkeli, Ni Tina, Sn 10 5

6 Veden kovuus Kalsium ja magnesiumsuolojen pitoisuus Mineraalihappokovuus: CaCl 2, CaSO 4, MgCl 2, MgSO 4 Karbonaattikovuus: Ca(HCO 3 ) 2, CaCO 3, Mg(HCO 3 ) 2, MgCO 3 Kovuussuolat aiheuttavat saostumia Käyttövesi: sitoo saippuaa 11 Alkaliteetti Veden puskurikyky happoja vastaan, emäksenä toimivien ionien summa Alkaliteettia aiheuttavat CO 3 2, HCO 3 ja OH Ilmoitetaan happotitraustuloksena: malkaliteetti, titrauksen päätepiste ph 4,3 palkaliteetti, titrauksen päätepiste ph 8,3 12 6

7 Veden ph:n ja alkaliteetin suhde CO 2 HCO 3 Mineraalihappokovuus CO 3 2 OH 1,0 4,3 8,3 10,0 14,0 ph 13 Johtokyky Veden kyky johtaa sähköä Puhdas vesi johtaa sähköä huonosti Kemiallisesti puhtaan veden johtokyky 0,055 µs/cm Liuenneet kaasut ja suolat nostavat veden johtokykyä Liuenneiden aineiden määrä voidaan arvioida karkeasti johtokyvyn perusteella Johtokyvyn yksiköt: µs/cm, ms/m 1 ms/m = 10 µs/cm 14 7

8 Suolaliuosten johtokyky 15 Liuenneiden kaasujen johtokyky 16 8

9 Orgaaninen aines Vetyä ja hiiltä sisältäviä yhdisteitä Luonnonvesissä on tuhansia eri orgaanisia yhdisteitä Orgaanisen aineksen määrä ilmoitetaan ja analysoidaan yleensä kaikkien orgaanisten yhdisteiden summana 17 Orgaanisen aineen analyysitapoja COD Chemical Oxygen demand Veden kemiallisen hapen kulutus Mitataan titraamalla hapettavalla aineella (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7 ) TOC Total Organic Carbon Orgaanisen hiilen kokonaismäärä Mitataan orgaanisen hiilen tuottama CO 2 poltettaessa näyte 18 9

10 Vesianalyysi Mielikuva veden tyypillisestä laadusta Kokonaisrauta: liuennut + liukenematon Liuenneet suolat + metallit Talousvesi: < 200 mg/l Talousvesi: < 0,2 mg/l Talousvesi: < 0,2 mg/l Talousvesi: < 2 mg/l Talousvesi: < 0,5 mg/l Talousvesi: < 0,05 mg/l Talousvesi: < 250 mg/l Talousvesi: < 250 mg/l Talousvesi: < 50 mg/l Talousvesi: 6,5 9,5 Liukenemattomat: kiinteät + kolloidiset epäpuhtaudet Johtokyky: yleiskuva suolapitoisuudesta + liuenneista kaasuista Veteen lisätyt desinfiointikemikaalit Talousvesi: < 2500 µs/cm 19 Vedenkäsittelyprosessit Voimalaitoslisäveden valmistusprosessin vaiheet: 1. Mekaaninen esikäsittely 2. Kemiallinen esikäsittely 3. Suolanpoisto partikkelikoko Raakaveden esikäsittely Vaiheiden tarpeellisuus ja kattavuus arvioidaan aina veden laadun ja käyttökohteen mukaan! 20 10

11 Vedenkäsittelyvaiheet 1. Mekaaninen esikäsittely Suodatus Kiintoaineet 2. Kemiallinen esikäsittely Saostussuodatus Kolloidit (Si, Fe, Mn), pieneliöt, öljyt, rasva, humus 3. Suolanpoisto Ioninvaihto / käänteisosmoosi Liuenneet aineet HCO 3 Ca +2 Cl Na + Mg +2 HSiO 3 SO 4 2 Veden epäpuhtaudet ja niiden vaatimat puhdistustoimenpiteet Karkeat epäpuhtaudet Hiukkaskoko > 10 6 m Suspendoituneet ja kolloidiset epäpuhtaudet 10 4 m 10 9 m Liukoiset epäpuhtaudet m Orgaaniset Epäorgaaniset Orgaaniset Epäorgaaniset Liukoiset suolat, org. yhdisteet Kaasut Levät Pieneliöt Savi Hiekka Liete Humusaineet Öljyt Rasvat Jäteliemi Silikaatti Rauta Mangaani Kationit Ca 2+ Mg 2+ Na + Fe 2+ Al 3+ H + NH 4 + Anionit HCO 3 SO 4 2 Cl NO 3 Silikaatti OH CO 2 O 2 N 2 CH 4 Suodatus Saostussuodatus, kalvosuodatus Pehmennys Suolanpoisto (ioninvaihto/ käänteisosmoosi) Kaasunpoisto Terminen Kemiallinen Voidaan tehdä kunnallisella vesilaitoksella tai tarvittaessa voimalaitoksella Voimalaitoksen omalla vesilaitoksella Voimalaitosprosessin yhteydessä 22 11

12 Mekaaninen esikäsittely Poistetaan suurikokoisimmat kiintoaineet Karkeasuodatus Välpät Karkeat sihdit Ketjukorisuotimet Lohja Engineering Oy 23 Ilmastus Ilmaa CO 2, CH 4 Johdetaan veteen ilmaa veteen liuenneita kaasuja poistuu rauta ja mangaani hapettuvat ja saostuvat Fe, Mn 24 12

13 Kemiallinen esikäsittely Poistetaan kolloidit ja kiintoaineet, jotka ovat liian pieniä suodatettavaksi ja liian kevyitä erotettavaksi laskeuttamalla Savi, kolloidinen silikaatti ja rauta, kolloidiset orgaaniset aineet Partikkelikoko, mm Laskeutumisaika, 1 m Sora 10 1 s Karkea hiekka 1 10 s Hieno hiekka 0,1 125 s Liete 0, min Bakteerit 0, h Kolloidit 0, päivää 25 Kemiallisen esikäsittelyn vaiheet Koagulointi Flokkaus Selkeytys / flotaatio Suodatus 26 13

14 Koagulointi eli saostus Veteen lisätään koagulointikemikaalia, joka saa veden pienpartikkelit saostumaan Neutraloimalla hiukkasten negatiivisia pintavarauksia (zpotentiaali) Muodostamalla verkkoja tai kasoja, joihin pienpartikkelit tarttuvat Koaguloinnin tehostamiseksi veteen lisätään esim. kalkkia tai happoa (optimi ph saostukselle) Esimerkkejä saostusreaktioista Al 2 (SO 4 ) H 2 O 2 Al(OH) H 2 SO 4 FeCl H 2 O Fe(OH) HCl 28 14

15 Veden pharvon vaikutus saostumiseen Kullakin koagulointikemikaalilla on optimi phalue Alumiinisuoloilla optimi phalue on yleensä välillä 5 6 Rauta(III)suoloilla optimi phalue on lähempänä neutraalia kuin alumiinisuoloilla Optimi phalue ja koagulointikemikaali valitaan laboratoriossa tehtävien saostuskokeiden perusteella. 29 Veden ph:n säätö Koagulointikemikaalit reagoivat raakaveden alkaliteetin kanssa: Al 2 (SO 4 ) HCO 3 2 Al(OH) SO 4 2 FeCl HCO 3 Fe(OH) Cl Saostusreaktio laskee veden ph:ta Kemikaalien annostuksessa huomioitava alkaliteetin kuluminen saostusreaktiossa 30 15

16 Tyypillisiä koagulointi ja ph:n säätökemikaaleja Kemikaali Molekyylikaava Käyttötarkoitus Alumiinisulfaatti Al 2 (SO 4 ) 3 14H 2 O Koagulointikemikaali Natriumaluminaatti Na 2 Al 2 O 4 ph:n säätö, käytetään alumiinin kanssa Alumiinikloridi AlCl 3 Käytetään seoksissa orgaanisten polymeerien kanssa Polyalumiinikloridi (PACl) Al a (OH) b (Cl) c (SO 4 ) d Koagulointikemikaali Polyalumiinisulfaatti (PAS) Al a (OH) b (Cl) c (SO 4 ) d Koagulointikemikaali Polyrautakloridi Fe a (OH) b (Cl) c (SO 4 ) d Koagulointikemikaali Rautakloridi FeCl 3 Koagulointikemikaali Rautasulfaatti Fe 2 (SO 4 ) 3 Koagulointikemikaali Aktiivisilikaatti SiO 2 Apukoagulantti Natriumsilikaatti Na 2 O(SiO 2 ) 335 Apukoagulantti Kalsiumhydroksidi Ca(OH) 2 ph:n säätö Natriumhydroksidi NaOH ph:n säätö Sooda Na 2 CO 3 ph:n säätö 31 Saostuskemikaalin syöttö Koaguloinnin tehostamiseksi kemikaalin on sekoituttava hyvin käsiteltävään veteen Sekoitusratkaisuja: Upotettu sekoitin Sekoitus ilmastuksella Sekoitus putkessa Annosteluportti Koagulointikemikaalin laimennus ennen annostusta 32 16

17 Flokkaus Flokkauksessa partikkelikasaumat saatetaan kosketuksiin keskenään veden hitaalla sekoituksella jolloin muodostuu suurempia kasaumia, flokkeja Flokkausta voidaan tehostaa apukoagulanteilla 33 Flokkausratkaisuja Sekoituskammio

18 Selkeytys Flokkauksen jälkeen flokit poistetaan vedestä selkeytyksellä tai flotaatiolla Selkeytys Flokit painuvat veden pohjalle Vaakaselkeytys, pystyselkeytys, lamelliselkeytys 35 Flotaatio Flokit nostetaan veden pintaan ilmakuplien avulla ja poistetaan ylijuoksutuksella tai kaapimalla 36 18

19 Yhteenveto: Koagulointi, flokkaus ja selkeytys Koagulointi Flokkaus Selkeytys Koagulointikemikaali, pikasekoitus Hämmennys 37 Yhteenveto: Koagulointi, flokkaus ja flotaatio Koagulointi Flokkaus Flotaatio Koagulointikemikaali, pikasekoitus Hämmennys Ilmaa 38 19

20 Suodatus Flokkauksen ja/tai saostuksen jälkeen raakavesi suodatetaan hiekkasuodattimella Kontaktisuodatus Jatkuvatoiminen hiekkasuodatin Koagulointi ja flokkauskemikaalit voidaan sekoittaa suoraan tulovesiputkeen, jolloin selkeytys ja flotaatioaltaita ei tarvita (pienillä raakaveden kiintoainepitoisuuksilla) 39 DynaSandsuodatin 1. Puhdistettava vesi 2. Syöttövesiputki 3. Veden jakolaite 4. Hiekka liikkuu alaspäin 5. Suodatetun veden ylivuotoreuna 6. Suodatettu vesi ulos 7. Mammuttipumppu 8. Hiekkapesurin yläosa 9. Hiekkapesuri 10.Hiekkapatja 11.Likainen vesi ulos 12.Hiekanjakokartio 40 20

21 Desinfiointi Tapetaan raakaveden pieneliöt Ehkäistään levä ja pieneläinkasvustot laitoksella Talousveden taudinaiheuttajien eliminointi 41 Desinfiointikemikaalit ja menetelmät Klooraus Kloorikaasu Hypokloriitti UVdesinfiointi Hyödynnetään UVvalon pieneliöiden tappavaa vaikutusta Otsonointi 42 21

22 Tyypillisiä vesilähteiden ominaisuuksia Vesilähde Kemiallinen koostumus Vesilähteen hyvät puolet Vesilähteen huonot puolet Talousvesi Vaihteluväli: erittäin pehmeä erittäin kova, alhainen suolapitoisuus korkea suolapitoisuus Yleisesti hyvälaatuista vettä, ei bakteereja, ei kiintoaineita Usein kallis vaihtoehto. Vedenkäsittelylaitokselta saattaa tulla jäännösalumiinia tai rautaa saostuksesta Pintavesi, joki Yleisesti pehmeämpää kuin pohjavesi Suurien jokien vedelle riittää usein suodatus esikäsittelyksi Vuodenaikavaihtelut veden laadussa. Maatalouden jätevesistä saattaa tulla fosfaattia ja nitraattia Pintavesi, järvi Yleisesti pehmeämpää kuin pohjavesi Alhainen suolapitoisuus Vuodenaikavaihtelu veden laadussa, leväkukinnot kesällä, paljon humusta Pohjavesi Vaihteluväli: erittäin pehmeä erittäin kova, alhainen suolapitoisuus korkea suolapitoisuus Yleisesti tasainen vesilaatu, vähän kiintoainetta ja humusta Usein korkeat pitoisuudet kovuutta, alkaliteettia, silikaattia, rautaa, mangaania 43 Makean pintaveden käsittely Tyypillinen vedenpuhdistusprosessi: 1. Karkeasuodatus 2. Orgaanisen aineen saostaminen ja selkeytys 3. Suodatus 4. Desinfiointi 44 22

23 Pintaveden esikäsittely, prosessikaavio pikasekoitin hämmentimet selkeytin suodatus puhdasvesisäiliö raakavesi 1 Saostuskemikaalit 2 Alkalointikemikaali 3 Desinfiointi 45 Pohjaveden esikäsittely Tyypillinen vedenpuhdistusprosessi: 1. Ilmastus 2. Koagulointi, flokkaus ja selkeytys, mikäli vedessä humusta 3. Suodatus 4. Alkalointi 5. Desinfiointi 46 23

24 Hyvälaatuisen pohjaveden esikäsittely, prosessikaavio 1 2 suodatus Ilmastus 1 Alkalointikemikaali 2 Desinfiointi 47 Muita voimalaitoksen raakavesilähteitä Talousvesi Esikäsitelty vesilaitoksella Mekaaniset epäpuhtaudet putkistosta poistetaan hiekkasuodattimella Tarvittaessa kloorin poisto aktiivihiilisuodattimella Merivesi Esikäsittely kuten muillakin pintavesillä Esikäsittelyn jälkeinen suolanpoisto järeämpi 48 24

25 Ultrasuodatus (UF) Ultrasuodatus on kalvotekniikkaan perustuva kiintoaineiden erotusmenetelmä UF:n erotuskyky n. > 0,3 µm (makromolekyylit, virukset, kolloidiset partikkelit, proteiinit) Ei poista liukoisia partikkeleita Vaihtoehtoinen veden esikäsittelymenetelmä perinteisille flokkaus/suodatusmenetelmille Käyttökokemuksia kaivataan vielä enemmän 49 Ultrasuodatuslaitteisto 50 25

26 Ultrasuodatuksen prosessirajoitukset Analyysiarvo Tyypillinen arvo Maksimiarvo Sameus, NTU < Kiintoainepitoisuus, mg/l < Partikkelikoko, µm < TOC, mg/l < Öljy, rasva mg/l 0 < 2 ph Lämpötila, C Cl 2, mg/l 0,5 200 DOW Chemical Company 51 26