Ugrás a tartalomhoz

Vízellátás és szennyvízkezelés

Dr. Török Sándor (2011)

Szent István Egyetem

7.3. Arzénmentesítés

7.3. Arzénmentesítés

Hazánkban a magas arzénkoncentrációjú vízbázisok felszín alattiak. Az Európai Unióhoz történő csatlakozás ivóvízkezelést érintő egyik legnagyobb kihívása az arzéneltávolítás problémája. Az 50 μg/l helyett az ivóvízben megengedhető maximális arzénkoncentráció 10 μg/l lett (2001. októberétől). A határérték szigorodása kb. 1,3 millió fogyasztót érint az országban.

A mélységi vizekre jellemző reduktív környezetben az arzén jellemzően három vegyértékű (arzenit, As(III)), oldott formában fordul elő. Öt vegyértékű frakció (arzenát, As(V)) előfordulása alacsonyabb mértékű. Az arzénmentesítés technológiájának megválasztásához elengedhetetlenül szükséges a tisztítandó vízben jelenlévő arzénformák ismerete.

Az arzénformák határozzák meg az alkalmazható technológiát, az előoxidáció szükségességét. Általánosságban megállapítható, hogy az arzenát eltávolítása a technológiailag elfogadható megoldás.

A jelenleg rendelkezésre álló arzénmentesítési technológiák három nagy csoportba oszthatók, amelyek (Szabó et al, 2010):

  • hagyományos technológiák (koaguláció, vas-mangán eltávolítás, meszes lágyítás),

  • adszorpciós eljárások (aktivált alumínium-, illetve vas(III)-oxid) és

  • membrántechnológiák (fordított ozmózis, amely valamennyi komponenst eltávolít a vízből, valamint nanoszűrés, mikro- vagy ultraszűrés, azonban ezek előtt koagulációt kell megvalósítani).

A 4. táblázatból láthatjuk, hogy mennyire fontos a redukált (As(III)) állapotú arzén oxidálása arzenáttá (As(V)-é). A leggyakrabban alkalmazott oxidálószerek a klór (hypó: NaOCl formájában adagolva), az ózon (O3) és a kálium-permanganát (KMnO4).

4. táblázat: Arzéneltávolító technológiák hatásfoka. Forrás: http://www.hidrologia.hu/vandorgyules/28/dolgozatok/

Hagyományos technológiák

A 40. ábra mutatja a VITUKI-VÍZGÉPTERV által kidolgozott, koagulációs eljáráson alapuló arzénmentesítési technológiát. Az első lépés a gázmentesítés, ahol a vízben oldott gázok eltávolítása bekövetkezik, és az oxidáció lejátszódik. Az arzén oxidációja klór adagolásával történik, majd ezt követően Fe(III)-só, és flokkulálószer adagolásával az arzén szilárd, oldhatatlan formájúvá alakítható. Ezután a víz egy up-flow rendszerű szűrőre kerül, majd egy újabb szűrőrétegen (itt az áramlás fentről lefele történik) átvezetve a hálózati fertőtlenítést (klór adagolását) követően a víz a hálózatba jut (Kiss, J. – Kelemen, B. (1985)).

40. ábra: VITUKI – VÍZGÉPTERV által kidolgozott technológia (Kiss és Kelemen, 1985)

Adszorpciós eljárások

Az adszorbenst oszlopba töltik (gyorsszűrőkhöz hasonlóan), és ezen vezetik át az arzéntartalmú vizet. Az arzén az adszorbens felületén megkötődik.

Arzéneltávolításra alkalmazható adszorbensek:

  • aktivált alumínium-oxid (Al2O3),

  • granulált vas-oxid és

  • ioncserélő gyanta arzén eltávolítására.

Membrántechnológiák

A membrántechnológiák egyik csoportja (ahol nagyobb a pórusméret, pl.: mikroszűrés, ultraszűrés, nanoszűrés) az oldott szennyezőket nem képes eltávolítani. Ebben az esetben a víz előkezelése: oxidáció, koaguláció-flokkuláció alkalmazása szükséges, és a membrántechnológia „csak” mint szilárd/folyadék fázisszétválasztási technológia játszik szerepet.

A membrántechnológiák másik része (fordított ozmózis) alkalmas az oldott állapotú szennyezők eltávolítására, így az oldott állapotú arzén eltávolítására is. Ebben az esetben gondot jelent azonban, hogy nem csak az oldott állapotú arzén, hanem az egyéb oldott komponenseket – így az ásványi sókat is – eltávolítjuk a vízből, ezért a membrántechnológiás kezelést követően a víz utósózása szükséges.

Arzénmentesítés esetén az alkalmazható membránszűrési eljárások az alábbiak szerint jellemezhetők:

  • Mikroszűrés: kizárólag arzenáteltávolításra alkalmas, csak a vaspelyhekbe már beépült arzenátot távolítja el. Oxidáció és koaguláció szükséges a mikroszűrés előtt.

  • Ultraszűrés: szintén kizárólag a vaspelyhekbe már beépült arzenátot távolítja el. Azonban a mikroszűrő membránnál kisebb pórusméretei miatt jelentősebb derítőszer-mennyiségek mellett a membrán könnyen eltömődik. Arzénmentesítéshez a mikroszűrő membránok alkalmazása jobb megoldás.

  • Nanoszűrés: jó hatékonyságú arzenát-, és kisebb hatékonyságú arzeniteltávolítást biztosít. Koagulánsra nincs szükség.

  • Fordított ozmózis: a nanoszűréshez hasonlóan jó hatékonyságú arzenát-, és kisebb hatékonyságú arzeniteltávolítást biztosít, koaguláns alkalmazása nélkül. A nanoszűrésnél nagyobb üzemi nyomás és a kisebb tisztítottvíz-mennyiség ellensúlyozza a fordított ozmózis kedvezőbb szűrési hatékonyságát.

Víztisztító művek esetében a membrántechnológiai eljárások közül a mikroszűrés illetve az ultraszűrés a gyakori eljárás.

A mikroszűrés (41. ábra) során a membrán két oldalán 1-5 bar nyomáskülönbséget hoznak létre; ennek hatására – a mikrobákat kivéve – minden oldott és lebegő anyag áthatol a membránon. Így mikroszűréssel eltávolítható a baktériumok és az egyéb mikroorganizmusok egy része.

41. ábra: A mikroszűrés

Ultraszűréskor (42. ábra) az 1 mikrométernél kisebb pórusokkal rendelkező membrán két oldalán elhelyezkedő oldatok 5-10 bar nyomáskülönbsége adja a fizikai-kémiai hajtóerőt. Ebben az eljárásban a membránon a vízmolekulák és a kisméretű oldott molekulák hatolhatnak át.

42. ábra: Az ultraszűrés

Fordított ozmózis

Először vizsgáljuk meg, hogy milyen folyamat játszódik le az ozmózis során. Az ozmózis egy spontán oldószer áramlási folyamat (az alacsonyabb koncentrációjú oldat irányából, a magasabb koncentrációjú oldat felé, egy féligáteresztő membránon keresztül). A membrán átengedi az oldószert, de nem engedi át az oldott anyagokat. Az ozmózis oka az ozmotikus nyomáskülönbség, amit az oldatok koncentráció különbsége hoz létre.

A módszer működési elve a 43. ábra felső részén látható. Ha egy tömény vizes oldatot féligáteresztő hártyával választanak el a hígabb oldattól, a koncentráció-különbség kiegyenlítésére megindul a vízmolekulák diffúziója a hártyán keresztül a töményebb oldatba és ennek következtében túlnyomás (ozmózisnyomás) keletkezik. Ha a töményebb oldatra az ozmózisnyomásnál nagyobb nyomás hat, a vízmolekulák a féligáteresztő és mechanikailag szilárd membránon keresztül a hígabb oldatba áramlanak (fordított ozmózis) és az a töményebb oldat koncentrációját növeli.

A fordított ozmózis során az oldószer (pl. víz) áramlik külső nyomás hatására a féligáteresztő membránon keresztül a magasabb koncentrációjú oldatból (szennyezett víz) az alacsonyabb koncentrációjú oldat felé (tisztított víz). A membrán ebben az esetben is átengedi az oldószert, de ekkor sem engedi át az oldott anyagokat (43. ábra alsó része).

Az ozmózis (a) és a fordított ozmózis (b) működési elve. 1. féligáteresztő hártya; 2. híg oldat; 3. tömény oldat; 4. ozmózisnyomásnál nagyobb nyomás

A fordított ozmózis alkalmazása a szennyvíz tisztításában. (forrás: http://www.szele-tech.hu/szolgaltatas/forrasviz/

43. ábra: Az ozmózis és a fordított ozmózis jelensége és alkalmazása

A fordított ozmózis alkalmazását alapvetően az Egyesült Államokban fejlesztették ki a tengervíz sótalanítására. Tisztán mechanikai alapon eltávolítja majdnem az összes oldott és oldatlan anyagot a vízből. Ehhez tartoznak a nehézfémek, klór és klór bomlástermékek, szerves anyagok, gyógyszermaradványok, baktériumok és a vízben oldott ásványok. Nagy nitrátterhelés estén a fordított ozmózis a desztilláció mellett a legbiztosabb tisztítási eljárás.

Az eljárásnál a nyomás alatt levő víz egy félig áteresztő (szemipermeábilis) membránon keresztül mikroszkopikusan kisméretű pórusokon préselődik át (44. ábra).

44. ábra: A membrán pórusa és a baktérium viszonya. (forrás: http://www.szele-tech.hu/szolgaltatas/forrasviz/)

Háztartási berendezéseknél elegendő a 2-6 bar hálózati nyomás. Az ipari alkalmazás során a nyomás elérheti a 30 bar értéket is.

A fordított ozmózis mindig „friss vizet” és „szennyvizet” állít elő. A nagyteljesítményű berendezések 1:3 aránnyal dolgoznak. Vannak azonban olyan készülékek, amelyek egy liter tisztított víz nyeréséhez tíz vagy annál több liter vizet igényelnek. A maradék a szennyvízbe megy. Vannak olyan készülékek is, amelyek egy szivattyúval dolgoznak, és ezáltal lényegesen kedvezőbb frissvíz-szennyvíz arányt hoznak létre.

Végül foglaljuk össze a technológia előnyeit és hátrányait:

  • előnyök: A fordított ozmózis alkalmas arra, hogy a káros anyagok, mint a nehézfémek, pesticidek, poláris pesticidek, gyógyszermaradványok, baktériumok, mikroorganizmusok, azbesztrostok, nitrát, nitrit, klór és klór bomlástermékek valamint az ásványi anyagok is csaknem teljesen eltávolításra kerüljenek.

  • hátrányok: A fordított ozmózis vízfelhasználása aránylag magas. Ha arra gondolunk, hogy egy liter tisztított víz előállításához 3-10 liter hálózati vízre van szükség, akkor ez nem éppen gazdaságos és nem is környezetbarát.