Technologia Wody Wykład 7(1)

Politechnika KoszalińskaWydział Budownictwa i Inżynierii ŚrodowiskaStudia Zaoczne, 3 rok

Wody podziemneInfiltracja

H2O

zw. organiczne

CO2 agresywny

zawiesiny

zapach nadmierny

ChZT

pestycydy

barwa i mętność

mikrofauna

wirusy

bakterie

zapach roślinny

żelazo, mangan

twardośćmetale

CH4; H2S

Woda w przyrodzie

Woda w przyrodzie

H2O

zw. organiczne

CO2 agresywny

zawiesiny

zapach nadmierny

ChZT

pestycydy

barwa i mętność

mikrofauna

wirusy

bakterie

zapach roślinny

żelazo, mangan

twardośćmetale

CH4; H2S

filtracja (powolna)

sedymentacjacedzenie

dezynfekcja wiązanie chemiczne

sorpcja

utlenianie

koagulacjanapowietrzanie

sedymentacja

filtracja (szybka)

3. JAKOŚĆ WODY

— Przemysł: normy branżowe ruchowe

— Rolnictwo: stężenie mikroorganizmów

— Ludność: Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 4.09.2000 w sprawie warunków jakim powinna odpowiadać woda do picia i na potrzeby gospodarcze (Dziennik Ustaw RP nr 82 z dnia 4.11.2000 r.); zmiany z grudnia 2002

WARUNKI ORGANOLEPTYCZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA

Wskaźnik Jednostka Wymagania

Plamy olejoweZawiesinaZapach

Barwa mg Pt/dm3 < 15Mętność mg SiO2/dm3 < 1Organizmy niewidoczne

niewidoczneniewidocznaakceptowalny

WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA

Wskaźnik Jednostka NDSAmoniakAzotanyAzotynyChlorChlorkiFluorkiSiarczany

0,5500,10,3

2501,5

250mg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/l

WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)

Wskaźnik Jednostka NDSCynkKadmManganOłówŻelazoBenzenBenzo(a)piren

30,0030,050,010,2

1 (0,001)0,01 (WWA)µg/l

µg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/l

Σ WWAChlorofenole

µg/lµg/l

10010 (ppz)

WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)

Wskaźnik Jednostka NDSChloroformΣ THMPCBΣ pestycydówChZT (KMnO4)

30 (THM100

0,50,5

5000µg/lµg/lµg/lµg/lµg/l

WARUNKI BAKTERIOLOGICZNE JAKIM POWINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA

Wskaźnik Dopuszczalnaliczba bakterii

Objętośćpróbki

Escherichia coliEnterokokiClostridium perfiringesOgólna liczba bakterii (37°C)

100100

100120

000

6,5 - 8,56,5 - 8,5

6,5 - 8,56,5 - 8,5

Detergentymg/l

Żelazomg/l

OdczynpH

Mętnośćmg SiO2/l

Barwamg Pt/l

DOPUSZCZALNE WARTOSCI WSKAŹNIKÓW ZANIECZYSZCZEŃ

Kraj

PolskaWHOUEUSARosja

15152015-

1

2

1

5

56,5 - 8,5

0,20,30,30,50,5

0,2-

0,20,50,5

Schematy Technologiczne w Oczyszczaniu Wody

— woda powierzchniowa

a) zawiesinab) koloidyc) organiczne zw. refrakcyjne

— woda wgłębna

a) ‘czysta’b) zakwaszonac) zażelaziona

Układy technologiczne

— usuwanie zawiesin

F D WuWz

WuWz F

S

D

Wu - woda uzdatnionaWz - woda zasilającaF - filtracjaD- dezynfekcjaS - sedymentacjaK - koagulacjaU - utlenianie

Układy technologiczne (c.d.)

— usuwanie barwy i mętności

WuWz D

Wu - woda uzdatnianaWz - woda zasilającaF - filtracjaD- dezynfekcjaS - sedymentacjaK - koagulacjaU - utlenianie

Wz Wu

F S K U

D F S K

— usuwanie zawiesin, barwy i mętności

Układy technologiczne (c.d.)

Wz

Wu

D F S K

U U

A

A- adsorpcja

D- dezynfekcja

Opcja:utlenianie

Warstwa nieprzepuszczalna

Warstwa wodonośna

Wody wgłębne

Migracjaw.powierz.

Woda gruntowaStudnia głębinowa

Warstwanienasycona / nasyconaDepresja/Lej

Dzi

esią

tki l

at

Woda wgłębna

Prawidłowe Wysortowanie? Scementowanie?

Warstwa wodonośna (nasycenia/saturacji)

Strefaareacji

Strefa saturacjiLustro wodygruntowej w czasie suszy

Studnia

Strumień

Warstwy o zwiększonej porowatości

dnilata

dekady

stulecia

tysiącleciaLinie przepływu

Dopływ

podziemnyZlewnia

Poziom wody gruntowej

Wod

y w

głęb

ne

Wody podziemne

Czynniki wpływające na skład wód podziemnych:- rodzaj i budowa skał z którymi się kontaktują- stopnia ich zwietrzenia i uziarnienia- prędkości ruch wody podziemnej- stopnia zmieszania z wodami powierzchniowymi i opadowymi

Procesy jednostkowe kształtujące skład wód podziemnych- utlenianie i redukcja- rozpuszczanie i strącanie- hydratacja i hydroliza- sorpcja, desorpcja i wymiana jonowa- procesy biochemiczne

Utlenianie i redukcjaDotyczy: C, S, Fe, Mn, N (przede wszystkim)

FeS + H2O + O2 = Fe(OH)3 + H2SO4

2H+ + SO4 2- -wzbogacenie w SO4 2-

-zakwaszenieCaCO3

Ca(HCO3)2+ + Ca 2+-wzrost mineralizacji-wzrost twardości

-gdy zabraknie tlenu

SO4 2- + CH2O + H2O = H2S + 2 HCO3-

NO3- + CH2O + H2O = N2 + 2 HCO3

-przykład reakcji w obecności tlenu

-wzrost twardości-odór

CH2O+O2=CO2+H2O

- kolejno jako utleniacze wykorzystywane będą:

MnO2 + CH2O = Mn 2+ + CO2 + 2 OH-

Fe2O3 + CH2O = Fe 2+ + CO2 + OH-

NO3 - + CH2O = N2 + CO2

SO4 2- + CH2O = H2S + CO2

-wzrost Fe 2+ , Mn 2+

-wzrost CO2

-siarkowodór

Ługowanie skał (rozpuszczanie) - wywiera bardzo istotny wpływ na skład wód podziemnych

NaCl = Na + + Cl-

CaO×2Al2O3×4SiO2 + CO2 + H2O = Ca 2+ + 2 HCO3 - + + 2H4Al2SiO4

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2-

Wzrost mineralizacji

Wzrost twardości

Wytrącanie minerałów

- iloczyn rozpuszczalności CaCO3 Ca 2+ + CO3 2-

Ir = [Ca 2+ ] x [CO3 2- ] = 10 -8

[c Ca 2+ ] = [c CO3 2- ] = 10 -4 mol/dm3

- przykład reakcjiCa 2+ + SO4 2- = CaSO4

gips

Sorpcja. Desorpcja. Wymiana jonowa.

Procesy zależne od:- pH- Eh- siły jonowej- stężenia substancji

Substancje występujące w wodach wgłębnych

1. Rozpuszczone gazy: - główne: O2, CO2, CH4, H2S - śladowe NH3, SO2, HCl

CO2-wolnyRównowaga węglanowa

2. Aniony: SO4 2-, Cl - , HCO3 -

3. Kationy: Na+ , K + , Fe 2+ , Mn 2+ , Mg 2+

Dwutlenek węgla. CO2

Rozpuszczalność CO2 w wodach podziemnych

cCO2

mg/lcCO2 = HH x pCO2

pCO2 = 0.0004 kPa

cCO2 = 1.03 mg/l

10

20

pCO2

kPa500 1000

0°C 20°C

CO2 + H2O = H2CO3

H + CO32-

H + HCO3-

‘agresywny’‘półzwiązany’‘związany’

pH 4 6 8 10

Udział %100

50 CO2 HCO3- CO3

2-

CO2 + H2O = H2CO3 H+ + HCO3- 2H+ + CO3

2-

Zależność od pH:

CO2 + H2O = H2CO3 = H+ + HCO3- = 2H+ + CO3

2-

+ Ca 2+

Ca(HCO3) 2

CO2

CO2 ‘przynależnyTo jeszcze nie wszystko....

CO2 atmosferyczny Jeszcze jedna forma...

Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa w wodzie

CO2 + H2O = H2CO3 = H+ + HCO3- = 2H+ + CO3

2-

+ Ca 2+

Ca(HCO3) 2

CO2

CO2 ‘przynależny’

CO2 atmosferyczny W wodach wgłębnych..

Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa’ w wodziewgłębnej

C6H12O6+O2=CO2+H2OH++HCO3-=CO2+H2OCO2+CaCO3+H2O=Ca(HCO3)2

CO2 ‘agresywny’

+ Ca 2+

CaCO3

Wody podziemne. Podsumowanie

1. Duża mineralizacja2. Dużo rozpuszczonych gazów3. Znaczna twardość4. Zawartość agresywnego CO2

5. Brak mikrozanieczyszczeń6. Brak mikroorganizmów7. Klarowne (barwa, mętność)

Wniosek:- wymagają specyficznych metod oczyszczania

Infiltracja. Definicja

1. Oczyszczanie wody powierzchniowej w gruncie. Grunt traktowany tu jest jako bioreaktor

2. Metoda zwiększania zasobów wód podziemnych, lub oczyszczania wód powierzchniowych

Infiltracja. Rozpowszechnienie

15-35 % ujmowanej wody w różnych krajach

17% w Polsce

Ujęcia wód powierzchniowych dla celów komunalnych:- Warszawa, Wrocław, Płock, Poznań, Koszalin......

STUDNIA

Linie przepływu

Woda gruntowa

Wsiąkanie wód opadowych w grunt

Źródełko ‘wybija’ w miejscu gdzie poziom wody gruntowejosiąga powierzchnię

Źródełko

Rzeczka

Ruch wody wsiąkanie wody) przez strefę areacji

Poniżej poziomu wody gruntowej, woda migruje wzdłuż zakrzy-wionych linii przepływu, do rejonów o obniżonym poziomie w.g.

Infiltracja. Schemat urządzeń

Rzeka Studnia infiltracyjnaBasen

S.chłonna

Drenaż

Naturalna Infiltracja Sztuczna doby

Współczynnik filtracji k=v h l

(m/s)

k=2 10-4m/sPrędkość filtracji Różnica poziomówOdległość

Woda powierzchniowa musi spełniać następujące warunki:

- mętność <20- barwa <40- glony <10000/cm3

- bakterie <5000/cm3

- subs.pow.czynne <0,5g/m3

?

Ze względu na kolmatację.

Kolmatacja

v(m/s)

0,2

1,0

t(lata)2 4

k- rośnie (?) maleje (?)

Infiltracja jako proces oczyszczania wody.

Filtracja (przesiąkanie) wody przez - naturalny filtr - o właściwościach sorpcyjnych - modyfikujący skład wody w wyniku reakcji chemicznych (strefa areacji, strefa saturacji, osady)

Infiltracja - proces oczyszczania wody, w którym warstwę wodonośną wykorzystuje się jako reaktor o dużej objętości

Infiltracja. Procesy jednostkowe.

Woda

Osad

S.areacji

S.sateracji

Sedy

men

tacj

aSa

mok

oagu

lacj

aFo

toliz

aH

ydro

liza

Pr.b

ioch

emic

zne

Filtr

acja

Wym

iana

jono

wa

Sorp

cja

Uśr

edni

anie

Roz

pusz

czan

ie

+ + + + + + + + + ++ + +

- + + -- + + - - + -- - +

Wpływ na skład wody:+ duży- średni mały,lub żaden

Baseninfiltracyjny

Infiltracja. Efekty

Warstwa osadówZawartość zanieczyszczeń w gruncie

Wskaźnik Jednostka Piasek Osadzanieczyszczenia Corganiczny mg/g 9,0 35Pb µg/g 17,0 50Cd µg/g 0,7 4

Infiltracja. Procesy zachodzące w warstwie wodonośnej

Zachodzą tu procesy biochemiczne uwarunkowane:

- temperaturą

- jakością i ilością organizmów

- stężeniem i jakością mikrozanieczyszczeń

- rodzajem podłoża (gruntu, skały macierzystej)

Infiltracja. Procesy zachodzące w warstwie wodonośnej

1.Reakcje chemiczne: 2Fe2S3 + 12O2 4FeSO4 + H2SO4

C6H12O6 +3O2 6CO2 + 6H2O

C6H12O6 + 2NO3- 6CO2 + 6H20 + N2

10Fe 2+ + 2NO3- + 24H2O N2 + 10Fe(OH)3 + 18H+

H2SO4 + 2HCO 3- SO4 2- +CO2 + H2O

A.Strefa areacji. Warstwa o małej miąższości - ok. 2m

2. Reakcje biochemiczne ograniczają się do warstwy powierzchniowej o grubości ok. 1m Dlaczgo?

3. Sorpcja odgrywa tu mniej istotną rolę bowiem mamy do czynienia z innymi składnikami gruntu. Jakimi?

4. W strefie tej zachodzą następujące zmiany: CO2↑ , NO3

- ↓ , O2 ↓ Czy na pewno?

B. Strefa saturacji. Strefa beztlenowa

1. Warstwa o dużej miąższości (kilkaset metrów)2. Zachodzi redukcja azotanów 10Fe 2+ + 2NO3

- + 24H2O N2 + 10Fe(OH)3 + 18H+

C6H12O6 + 2NO3- 6CO2 + 6H20 + N2

3. Zakwaszenie- dalsze 10Fe 2+ + 2NO3

- + 24H2O N2 + 10Fe(OH)3 + 18H+

4.Wzrost stężenia manganu 6MnO2 + C6H12O6 6Mn 2+ + 6CO2 + 6H2O5. Wzrost stężenia żelaza 2Fe(OH)3 + 2NO2

- 2Fe(OH)2 + 2NO3- + H2O

Infiltracja. Skuteczność.

Zależy od:- składu wody powierzchniowej- sposobu infiltracji- czasu zatrzymania wody w gruncie- rodzaju gruntu- charakterystyki eksploatacji

Jakie zanieczyszczenia wody/składniki są usuwane?

- zawiesina- koloidy- metale ciężkie (20-95%)- hydrofobowe zanieczyszczenia organiczne- bakterie, pierwotniaki- ChZT (ok. 50%)

Jakie zanieczyszczenia/składniki wody są ‘dodawane’?

- CO2 agresywny- Fe 2+

- Mn 2+

- mineralizacja- H2S, NH3 (sporadycznie)

Woda po infiltracji nie traci cech (organoleptycznych) wody naturalnej

Woda po infiltracji często musi być dodatkowo uzdatniana (ale) zakres uzdatniania jest znacznie mniejszy (i nie wymaga chemikali) niż w przypadku wód powierzchniowych.

Wniosek

Instalacja do uzdatniania/infiltracji wody w Wiesbaden/RFN

12 3

4 5?

K S F

6?

N C F N F D Z

Woda uzdatniona

1.piaskownik2.osadnik3.b.infiltracyjny4.s.ujmująca5.s.infiltracyjna6.drenaż

10% 90%

Użytkownicy

Woda rzeczna A

Wody wgłębne/infiltracyjne. Podsumowanie

1. Duża mineralizacja2. Dużo rozpuszczonych gazów3. Znaczna twardość4. Zawartość agresywnego CO2

5. Brak mikrozanieczyszczeń6. Brak mikroorganizmów7. Klarowne (barwa, mętność)

Wniosek:- wymagają specyficznych metod oczyszczania