Woda odgrywa niezwykle istotną rolę w wielu procesach przemysłowych, od produkcji żywności i napojów, poprzez wytwarzanie leków i preparatów chemicznych, aż po energetykę czy motoryzację. Jej parametry mają zatem kluczowe znaczenie dla efektywności operacyjnej, jakości produktów końcowych oraz zgodności z normami regulacyjnymi. Jakiej wody potrzebuje przemysł? Kiedy konieczne jest jej uzdatnianie? Jakie metody uzdatniania wody powinny zostać zastosowane w konkretnych branżach? Mając na uwadze powyższe pytania, przedstawiamy przegląd najważniejszych aspektów dotyczących zastosowań wody w przemyśle oraz zarys istotnych kwestii związanych z koniecznością dostosowania jej właściwości do indywidualnych potrzeb danego przedsiębiorstwa.

Podstawowe medium w przemyśle
W przemyśle spożywczym wodę stosuje się do mycia surowców i urządzeń produkcyjnych, ale też jako składnik wyrobów końcowych. Często jest to woda o odmiennych parametrach. Bardzo miękką wodę dodaje się w procesie wytwarzania alkoholu. W przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym stanowi podstawowy składnik leków i wszelkiego rodzaju preparatów pielęgnacyjnych, natomiast w hotelach i obiektach typu SPA jest niezbędna do obsługi coraz bardziej popularnych łaźni parowych. W dużych ilościach wykorzystuje się wodę w hutnictwie do chłodzenia walców i smarowania łożysk w walcowniach oraz w obróbce skrawaniem do schładzania strefy obróbki. W lakierniach fabryk samochodów jest konieczna do mycia nadwozia po spawaniu oraz do przeprowadzenia procesu kataforezy, gdy nadwozie zostaje zanurzone w wannie z wodorozcieńczalną farbą. Woda to również podstawowe medium w obiegach chłodniczych i grzewczych. We wszystkich przypadkach jej parametry należy jednak odpowiednio zmodyfikować. W praktyce, każdą wodę stosowaną w procesach produkcyjnych i technologicznych trzeba uzdatniać, nawet jeśli pochodzi z zakładów wodociągowych. Rozbudowana stacja uzdatniania wody jest gwarancją jakości ultra czystej wody dla urządzeń m.in. w centralnej sterylizatornii (Rys.1.).

Normy wody w przemyśle
Regulacje i normy dotyczące jakości wody przemysłowej mają na celu zagwarantowanie parametrów odpowiednich do zastosowań tego surowca, minimalizując tym samym ryzyko zanieczyszczenia produktów, uszkodzeń sprzętu czy negatywnego wpływu na środowisko. Ze względu na specyfikę technologii stosowanych w różnych branżach, woda do celów przemysłowych może się charakteryzować odmiennymi parametrami, jednak zawsze powinna spełniać normy określone przez organizacje branżowe, a także różne organy regulacyjne funkcjonujące na poziomie krajowym i międzynarodowym.

Akty prawne (rozporządzenia wykonawcze i normy techniczne) dotyczące wody stosowanej w przemyśle obejmują m.in. wymagania dla wody stosowanej w układach grzewczych oraz chłodniczych:

• Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 15 stycznia 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemów ciepłowniczych (Dz.U. 2007 nr 16 poz. 92) – określa m.in. wymagania dotyczące jakości wody kotłowej, zapobiegania korozji i osadzaniu się kamienia
• PN-EN 12952-12:2006 Kotły wodnorurkowe i urządzenia pomocnicze — Część 12: Wymagania jakościowe wody zasilającej i wody kotłowej – definiuje wymagania jakościowe dla wody kotłowej mającej kluczowe znaczenie dla wydajności i trwałości kotłów oraz bezpieczeństwa operacyjnego systemów grzewczych

Wodę bezpośrednio wykorzystywaną w przemyśle dzieli się zazwyczaj na trzy grupy: woda technologiczna, woda techniczna oraz woda wtórna. W zależności od zastosowania, woda przemysłowa występuje również pod postacią wody lodowej, albo pary technologicznej. Woda technologiczna ma zazwyczaj bezpośredni kontakt z produktem i jest stosowana m.in. do mycia i obróbki surowców. W tym przypadku konieczne jest utrzymanie jakości zgodnej z Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dnia 7 grudnia 2017 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz.U. 2017 poz. 2294), jednak w większości sektorów stawiane są znacznie wyższe wymagania (choćby pod kątem mikrobiologicznym).

Drugi rodzaj, czyli woda techniczna jest wykorzystywana do celów pośrednich, takich jak obsługa i zasilanie maszyn. Z kolei woda wtórna pochodzi z odzysku po procesach technologicznych. Wielowymiarowe użytkowanie wody w przemyśle jest nieodłącznie związane z jej recyklingiem. Nowoczesne przedsiębiorstwa coraz częściej wykorzystują ścieki z jednego procesu w innym (zazwyczaj mniej wymagającym). Również w tym przypadku, a może przede wszystkim, niezbędne jest odpowiednie uzdatnianie takiej cieczy.

Kluczowa rola filtrów przemysłowych
Niezależnie od finalnego przeznaczenia, woda przemysłowa nie może zawierać zanieczyszczeń stałych i zawiesin. Należy ją również pozbawić wszelkich substancji zaburzających procesy technologiczne, sprzyjających powstawaniu osadów na liniach produkcyjnych oraz oddziałujących na parametry organoleptyczne wody. Przemysłowe uzdatnianie wody obejmuje zatem takie procesy jak:

• Poprawa właściwości fizykochemicznych wody,
• Przygotowanie wody kotłowej,
• Przygotowanie wody chłodniczej,
• Produkcja wody ultra czystej,
• Demineralizacja wody,
• Produkcja pary,
• Dezynfekcja wody,
• Zapobieganie rozwojowi mikroorganizmów.

Poza zakładami wodociągowymi, woda dla przemysłu może mieć źródło w ujęciach powierzchniowych, gruntowych i głębinowych. Miewa przez to inny skład chemiczny lub bywa zanieczyszczona w różnym stopniu np. związkami organicznymi.

Do określania jakości wody stosuje się ściśle określone wskaźniki, takie jak – barwa, mętność, zapach, odczyn (wody o niskim pH charakteryzują się dużą korozyjnością), stężenie żelaza i manganu, zawartość chlorków i azotanów oraz twardość. Ten ostatni parametr jest zjawiskiem szczególnie niepożądanym, gdyż odpowiada za powstawanie kamiennego osadu, który pogarsza przewodnictwo cieplne, a w konsekwencji porą stosuje się do przycinania i formowania gumy, pianek, folii, tkanin, tworzyw sztucznych, drewna, kamienia, czy włókien węglowych.

O jakości wody przemysłowej decyduje też obecność siarkowodoru, siarczanów i dwutlenku węgla, który wykazuje właściwości korozyjne w stosunku do stali i betonu, a jednocześnie utrudnia procesy uzdatniania wody. W większości przypadków kluczowe znaczenie dla efektywności prowadzonych procesów ma również czystość mikrobiologiczna. Ważnym wskaźnikiem jakości wody przemysłowej jest także bez wątpienia przewodność elektryczna stanowiąca miarę stężenia soli – woda o małej zawartości elektrolitów ma niewielką przewodność (duży opór). Woda demineralizowana, otrzymywana dzięki odpowiednim filtrom przemysłowym (Rys. 2.), charakteryzuje się przewodnością na poziomie 1–10 μS/cm, natomiast w przypadku pozostałych przemysłowych wód procesowych parametr ten oscyluje na poziomie 1–100 μS/cm.

Montaż stacji uzdatniania wody w przemyśle, oprócz doprowadzenia jej parametrów do pożąpiecza instalację przed kamieniem kotłowym i innymi osadami (również biologicznymi) oraz chroni je przed korozją.

W jaki sposób dobiera się przemysłowe filtry do wody?
Nie istnieje jedna, uniwersalna technologia umożliwiająca skuteczne usuwanie wszystkich zanieczyszczeń jednocześnie. Podobnie wygląda kwestia doboru metod uzdatniania wody dla specjalistycznych zastosowań przemysłowych. W obu przypadkach liczy się indywidualne podejście do tematu.

Przemysłowe stacje uzdatniania wody projektuje się na podstawie szczegółowych danych, tj. wyniki analizy wody, wymagania procesu, zapotrzebowanie na wodę czy choćby rodzaj instalacji. Inżynierowie firmy KLARSAN podkreślają, że dobór metod filtracji nierzadko bazuje na testach obciążeniowych przeprowadzanych na różnych rodzajach złóż, a poszukiwania optymalnego rozwiązania odbywają się często metodą prób i błędów. W wielu przypadkach pomocna, a często wręcz konieczna, okazuje się wizja lokalna. Dzięki zebranym na różne sposoby informacjom powstaje szczegółowy projekt technologiczny, który po zatwierdzeniu można przenieść do fazy realizacji. Łatwo zauważyć, że opracowanie skutecznego systemu uzdatniania wody dla przemysłu wymaga przekrojowej wiedzy i dużego doświadczenia. Tym samym kluczowy dla powodzenia takiego przedsięwzięcia wydaje się kontakt ze specjalistą z branży.

Przegląd filtrów przemysłowych
Główne, choć oczywiście nie jedyne, metody uzdatniania wody w aplikacjach przemysłowych to filtracja mechaniczna, zmiękczanie, odżelazianie, odmanganianie, demineralizacja, dejonizacja, dezynfekcja oraz filtracja membranowa (w tym przemysłowa odwrócona osmoza). Oprócz specjalistycznych filtrów o dużej wydajności, często konieczne okazuje się kondycjonowanie wody. Jak czytamy na łamach strony www.filtry-do-wody.info, wymienione wyżej technologie można również stosować do uzdatniania wody spożywczej, ale w nieco innym zakresie.

Filtracja mechaniczna w przemyśle
Surowa woda w pierwszej kolejności powinna zostać wstępnie oczyszczona, czyli pozbawiona piasku, żwiru i wszelkich zawiesin. Stosowane do tego celu sita, osadniki i filtry mechaniczne to nieodłączny element przemysłowych systemów uzdatniania wody. Znaczenie ma bowiem nie tylko oczyszczanie wody z cząstek stałych, ale również ochrona elementów systemu uzdatniania wody. Zdarzają się również instalacje, w których filtracja mechaniczna stanowi proces zwieńczający uzdatnianie wody.

Usuwanie manganu i żelaza z wody
Obecność jonów żelaza i manganu jest szkodliwa w przypadku większości procesów produkcyjnych. Odżelazianie przeprowadza się, gdy surowa woda zawiera związki żelaza na poziomie wyższym niż 0,2 mg/l. Oba metale niekorzystnie oddziaływają na jej jakość poprzez zwiększenie barwy i mętności, ale jeszcze większym problemem jest wytrącający się podczas przepływu osad. Nie dość, że obniża wydajność całej instalacji, to jeszcze stanowi doskonałe środowisko dla rozwoju bakterii żelazistych i manganowych będących elementem szkodliwego biofilmu.

W celu redukcji żelaza i manganu z wody stosuje się najczęściej przemysłowe odżelaziacze i odmanganiacze wody wykorzystujące wstępne napowietrzanie. Aeracja wody przyspiesza proces strącania żelaza w formie nierozpuszczalnych osadów, które zostają zatrzymane na złożu katalitycznym (np. na mieszance Ironit-Defeman), obniża stężenie dwutlenku węgla oraz umożliwia niewielką korektę pH wody. Nowoczesne przemysłowe odżelaziacze wody wymagające wstępnego napowietrzenia (Foto. 1.) przy pomocy aeratorów hydraulicznych (zwężki inżektorowe) lub pneumatycznych (kompresory bezolejowe) współpracują ze zbiornikami bezprzeponowymi (przepływowymi) lub mieszaczami wodno-powietrznymi. W podobny sposób usuwa się nadmiar manganu.

Za wyborem takiego rozwiązania przemawia wiele zalet, m.in. niższe koszty prowadzenia procesu uzdatniania – również te środowiskowe. Do regeneracji złoża filtracyjnego nie stosuje się w tym przypadku żadnych preparatów chemicznych, wystarczy woda. Co ważne, odżelazianie ze wstępnym napowietrzaniem przynosi dobre efekty niezależne od przekroczeń tego metalu. Na rynku dostępne są również odżelaziacze i odmanganiacze wody pracujące bez wstępnego napowietrzania wody działające w oparciu o popularne złoże Greensand. Takie rozwiązanie bywa często traktowane jako ostateczność m.in. ze względu na konieczność regeneracji nadmanganianem potasu oraz wyższe koszty utrzymania w porównaniu z urządzeniami wymagającymi napowietrzania.

Przemysłowe odżelazianie wody stosuje się w zakładach produkcyjnych, w rolnictwie i sadownictwie, w sektorze HoReCa, w szpitalach i w placówkach użyteczności publicznej oraz wszędzie tam, gdzie zostało przekroczone pożądane stężenie żelaza i manganu, a jednocześnie wymagana jest wysoka wydajność procesu (niekiedy zachodzi konieczność równoległego połączenia kilku dużych odżelaziaczy wody). Jeżeli woda ma służyć do instalacji grzewczych, np. do zasilania kotłów parowych, należy ją dodatkowo poddać procesowi odgazowania i zmiękczania.

Zmiękczanie wody w przemyśle
Zmiękczanie wody polega przede wszystkim na usuwaniu jonów wapnia i magnezu, które nadają wodzie twardość, co z kolei sprzyja powstawaniu kamienia kotłowego. Do redukcji wysokiego stopnia twardości w przemyśle stosuje się zmiękczacze wody o dużej wydajności działające na zasadzie wymiany jonowej. Urządzenia tego typu doskonale sprawdzają się w przypadku układów parowych, układów chłodniczych, a także przy instalacjach grzewczych.

Do metod zmiękczania wody w przemyśle zaliczana jest również dekarbonizacja. Wymaga jej m.in. uzdatnianie wody dla gastronomii, browarnictwa i przemysłu spożywczego, a także produkcja wody kotłowej i wody przeznaczonej do ciepłowni. Dekarbonizacja polega na redukcji twardości węglanowej i może zachodzić pod wpływem temperatury, poprzez dozowanie mleka wapiennego lub kwasu, albo na drodze wymiany jonowej na słabo kwaśnych jonitach z wymiennym jonem wodorowym.

Zmiękczanie wody znacząco wydłuża żywotność instalacji oraz urządzeń mających styczność z wodą. W zakładach o dużym zapotrzebowaniu na miękką wodę instaluje się stacje uzdatniania zbudowane z kilku zmiękczaczy wody funkcjonujących w trybie równoległym lub alternującym. W pierwszym przypadku urządzenia pracują nieprzerwanie – kiedy jedna butla przechodzi regenerację, w drugiej trwa zmiękczanie wody, aby zapewnić wodę o optymalnych parametrach przez całą dobę (Foto. 2.). W innym przypadku przemysłowe zmiękczacze wody funkcjonują w trybie wahadłowym, naprzemiennym – raz działa jedna butla, a raz druga.

Na drodze wymiany jonowej można przeprowadzić jeden z najbardziej pożądanych procesów w przemyśle, czyli demineralizację wody. W zależności od rodzaju i potrzeb instalacji przemysłowej, stosuje się dwa rodzaje filtrów – pojedyncze urządzenie wypełnione złożem mieszanym lub układ dwóch kolumn jonitowych, z których jedna zawiera silnie kwaśny kationit, druga natomiast jest wypełniona anionitem o odczynie zasadowym. W większości przypadków niezbędne są jednak bardziej złożone rozwiązania. Tego typu systemy demineralizacji wody występują zazwyczaj w postaci czterech butli (dwóch zestawów). Do każdej pary dołączony jest zbiornik z regeneratem – kationit i anionit regenerują się osobno. Inna metoda uzyskiwania wody demineralizowanej to filtracja na membranie osmotycznej.

Przemysłowa odwrócona osmoza
Przemysłowa odwrócona osmoza jest niezbędna do produkcji wody o bardzo wysokim stopniu czystości. Najważniejszą częścią tych filtrów jest membrana osmotyczna, na której zachodzi właściwy proces oczyszczania wody. Jej dokładność wynosi 0,0001 mikrona, przez co zapewnia niezwykle precyzyjną filtrację na poziomie pojedynczych jonów. Parametry przemysłowej odwróconej osmozy dobiera się na podstawie wymagań procesów produkcyjnych oraz jakości wody na wejściu. Ta technologia znalazła szerokie zastosowanie przede wszystkim w przemyśle spożywczym, kosmetycznym i farmaceutycznym, ale nie tylko. Zaprezentowaną na zdjęciu (Foto. 3.) stację uzdatniania wody zrealizowano na potrzeby przygotowania wody produkcyjnej dla zakładu z sektora tworzyw sztucznych. System obejmuje przemysłowy zmiękczacz wody, przemysłową odwróconą osmozę RO 300, zbiornik na wodę o pojemności 1 m³ oraz zestaw pompowy do podnoszenia ciśnienia w instalacji.

Warto podkreślić, że woda demineralizowana jest medium bardzo agresywnym – dąży do uzupełnienia brakujących jonów i pozyskuje je m.in. ze zbiorników i rurociągów. W takich warunkach szybko dochodzi do korozji instalacji, dlatego elementy i podzespoły mające kontakt z wodą demineralizowaną powinny być wykonane ze stali kwasoospornej, albo specjalistycznych tworzyw sztucznych.

Technologia odwróconej osmozy wymaga niezwykle starannego wstępnego przygotowania wody przed właściwą filtracją membranową. Aby uniknąć zatykania (foulingu) membran ciałami stałymi, osadem mineralnym i osadem organicznym, woda na wejściu powinna się charakteryzować określonymi parametrami – według wymagań producenta membran Filmtec:

• Stężenie żelaza i manganu – do 0,1–0,2 mg/l,
• Stężenie wolnego chloru – maks. do 0,01 mg/l,
• Twardość – 9 mg CaCO₃/l
• Krzemionka – maksymalne stężenie w koncentracie 120 mg/dm³ ,
• Zawiesina – maksymalnie 1 NTU (do 1 mg/l minerałów ilastych lub 0,5 mg/l SiO₂, koloidalnego)
• Temperatura 5–45°C,
• Współczynnik SDI – zalecany 0–3 lub maksymalny 3–5,
• Odczyn 3–11 pH.

Przemysłowa dezynfekcja wody
Woda w przemyśle powinna być czysta pod kątem mikrobiologicznym. To warunek niezbędny praktycznie w każdym przedsiębiorstwie. Wody naturalne zawierają jednak różnego rodzaju drobnoustroje, w tym groźne patogeny chorobotwórcze. Stosowane powszechnie metody dezynfekcji mają na celu zniszczenie żywych i przetrwalnikowych form mikroorganizmów oraz zahamowanie ich późniejszego rozwoju. Dużą skutecznością cieszy się w tym zakresie chlorowanie, ozonowanie i naświetlanie promieniami ultrafioletowymi. Warto zapamiętać, że dezynfekcja chemiczna (choć nie tylko) zabezpiecza instalację przed rozwojem bakterii Legionella.

Najpowszechniej stosowane jest chlorowanie, które “w pakiecie” nadaje wodzie charakterystyczny smak i zapach. Zawartość chloru w odkażonej wodzie nie powinna jednak przekraczać stężenia 0,3–0,5 mg/l. Najpopularniejszy preparat biobójczy gwarantujący sterylność wody pitnej i przemysłowej to aktualnie dwutlenek chloru (ClO₂). Bezpośrednie dozowanie roztworu do instalacji umożliwiają specjalne generatory (Foto. 4.), ale dostępne są również urządzenia ze zbiornikiem magazynującym z 1, 2 lub 3 pompami. Taki system można dodatkowo rozbudować o wanny ochronne na reagenty chemiczne, sondę ClO₂, zawory wielofunkcyjne do dozowania, wodomierze impulsowe oraz detektor gazu. Dozowanie dwutlenku chloru jest zaliczane do procesów kondycjonowania wody, o czym będzie również mowa poniżej.

Coraz popularniejsze są również lampy bakteriobójcze, które nie zmieniają składu fizykochemicznego wody, a tym samym nie wpływają na jej parametry organoleptyczne. Dużą zaletą promieniowania UV jest również brak produktów ubocznych dezynfekcji wody. Należy jedynie zadbać, aby woda nie zawierała zawiesin ani żadnych cząstek koloidalnych.

Kondycjonowanie wody w przemyśle
Kondycjonowanie wody to proces mający na celu korekcję jej parametrów fi zykochemicznych przy pomocy profesjonalnych preparatów. Antyskalanty, biocydy, czy inhibitory korozji trafi ają do wody dzięki specjalistycznym systemom dozującym, które obejmują zazwyczaj zbiornik z reagentem, przewody doprowadzające oraz pompę dozującą. Dzięki odpowiednim preparatom chemicznym, na kondycjonowaniu wody przemysłowej mogą skorzystać niemal wszystkie gałęzie przemysłu.

Jeden system, wiele korzyści
Podsumowując, optymalizacja parametrów wody w aplikacjach przemysłowych jest możliwa, dzięki implementacji specjalistycznych rozwiązań z zakresu jej uzdatniania. Osiągnięcie w tym zakresie zadowalających wyników wiąże się nierozerwalnie z zastosowaniem odpowiednich rozwiązań, które zapewnią efektywność operacyjną, zarówno w kontekście jakości produktów, jak i niższych kosztów całego procesu. W obliczu zachodzących zmian klimatycznych, warto również pamiętać, że inwestowanie w nowoczesne technologie uzdatniania wody pozwala przemysłowi sprostać wyzwaniom związanym z jakością wody, minimalizując jednocześnie negatywny wpływ tego typu działalności na środowisko.

Materiały źródłowe:
[1] https://www.klarsan.pl/
[2] https://www.filtry-do-wody.info/