Technologia wody-2

Repetytorium

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)

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

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

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)

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

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+

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

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

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

Technologia Wody

Wykład 8(2)

Politechnika KoszalińskaWydział Budownictwa i Inżynierii ŚrodowiskaStudia Zaoczne, 4 rok

Odkwaszanie wody

Wody podziemne. Podsumowanie

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

5. Brak mikrozanieczyszczeń6. Brak mikroorganizmów7. Klarowne8. Podwyższone stężenia Fe(II) i Mn(II)

Wniosek:- wymagają specyficznych metod oczyszczania

Proces jednostkowy w technologii wody mający na celu usunięcie nadmiaru (całości) agresywnego dwutlenku węgla.

Odkwaszanie wody. Definicja

Odkwaszanie. Zakres zastosowania

Odkwaszanie jest zwykle niezbędne w układach technologicznych uzdatniania wód wgłębnych i wód infiltracyjnych.

Odkwaszanie jest pierwszym procesem w układzie technologicznym oczyszczania tych wód

W przypadku wód powierzchniowych agresywny CO2 pojawia się podczas koagulacji (hydroliza soli -powstanie silnych kwasów-reakcja z składnikami naturalnej zasadowości

Przy zmiękczaniu i demineralizacji wód do celów kotłowych, po kationicie wodorowym, stosuje się też usuwanie agresywnego CO2

Metody fizyczne

cCO2 = HH x pCO2

H = const.

~~~~~~~~~~~ CO2

CO2

Następuje wyrównanie ciśnień cząst. w wodzie i atmosferze (powietrzu)

W przypadku nadmiaru CO2 w wodzie (wody wgłębne)nastąpi przejście nadmiaru CO2 do powietrza.

A jak będzie się zachowywał tlen?

Gaz

Gaz

Istota metody fizycznej odkwaszania polega zatem na przejściu CO2, obecnego w wodzie, do powietrza. Efekt ten uzyskuje się poprzez kontakt tych mediów

Od czego zależy przeniesiony ładunek-L?

L = S× t × F

Natężenie strumienia (szybkość przejścia przez gran rozdz faz)

Czas trwania procesu

Powierzchnia rozdziału faz

Natężenie strumienia (szybkość przejścia przez gran rozdz faz)

L = f ( S, t, F)

Czynniki zależne i niezależne od technologa?

Czas trwania procesuPowierzchnia rozdziału faz

Od czego zależy natężenie strumienia F?

F = f ( T, z, H, ∆c, l )

- S - t - F

Grubość filmu

Różnica ciśnień cząst.w wodzie i pow

Rodzaj gazu (stała Henryego)

Temperatura

Zasolenie

Jakie wielkości spotykamy w praktyce?

1. Powierzchnia– wodę rozdeszczowuje się na krople o śred d = 0,04-0,80 mm– woda spływa po rozwiniętej powierzchni, warstwa l = 0,1-0,8mm

2. Czas kontaktu mediów

– od 1 do 1800 sekund

3. Różnica prężności cząstkowych– stężenie w wodzie odkwaszanej może zmieniać się w szerokich granicach (2-270 mg/l)– stężenie końcowe nie może być mniejsze od stężenia równowagowego (ok. 1mg/l)– stężenie końcowe zależy od zasadowości

CO2

Równ

CO2 czas

Metoda chemiczna

Zalety metody fizycznej odkwaszania

1. Duża wydajność2. Niski koszt3. Łatwa automatyzacja4. Bezinwazyjne5. Napowietrzenie wody

Wady metody fizycznej odkwaszania

– niedostateczne usuwanie wolnego CO2

L = S× t ×F

F = f ( ∆c )

Metody chemiczne odkwaszania

– wprowadzamy gdy zachodzi konieczność usuwania resztkowego wolnego CO2

– polega na dodatku chemikaliów wiążących wolny CO2

1. CaO + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2

2. Na2CO3 + H2O + CO2 = 2NaHCO3

3. 2NaOH + CO2 = 2NaHCO3

Metody chemiczne odkwaszania

– wprowadzamy gdy zachodzi konieczność usuwania resztkowego wolnego CO2

Zalety metody chemicznej– wyczerpujące usuwanie wolnego CO2

Wady metody chemicznej– dodatek chemikaliów– kosztowna– wymaga nadzoru

Ponadto może zachodzić :– wytrącanie CaCO3 w sieci– alkalizacja wody (pH 6.5-8.5)– wzrost twardości (10 mvalCaCO3/l)

Odkwaszenie wody w wyniku filtracji przez złoże filtracyjne- wypełnienie z masy dolfiltr- wypełnienie z grysiku marmurowego

Masa dolfiltr- otrzymywanie Ca×Mg(CO3)2--------------->MgO×CaCO3 + CO2

- odkwaszanie MgO + CO2 + H2O = Mg(HCO3)2

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

Grysik marmurowy - uziarnienie 5-10 mm - odkwaszanie CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

Rys. 4. Rodzaje wód podziemnych [4],1 - woda powierzchniowa płynąca (rzeka, potok, strumień), 2 - woda powierzchniowa stojąca (jezioro, staw), 3 - woda zaskórna, 4 - płytka woda gruntowa, 5 - obszar zasilania warstwy wodonośnej z opadów,6 - woda wgłębna artezyjska, 7 - samobijąca woda artezyjska, 8 - woda artezyjska, lecz na nieco wyższym terenie(trzeba ją pompować), 9 - woda infiltracyjna, przesiąkająca ze zbiornika wody powierzchniowej do gruntu,10 - woda z warstwy szczelinowej (spękana skała), 11 - źródło naturalne zasilane wodą zaskórna,12 - źródło naturalne zasilane wodą płytką gruntową, 13 - źródło naturalne zasilane w wodę artezyjską samobijąca, 14 - źródło naturalnej w., lecz bijące na dnie jeziora

Jeżeli woda jest napowietrzana, wówczas jony Fe (II) utleniane są tlenem rozpuszczonym w wodzie zgodnie reakcją: 4Fe2 + O2 + 10H2O = 4Fe(OH)3 + 8H+.

Jeżeli natomiast woda nie jest napowietrzana, to w celu utlenienia Fe (II) stosuje się utleniacze chemiczne, którymi najczęściej są nadmanganian potasowy lub chlor. Utlenianie przebiega wówczas zgodnie z reakcjami:3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O = 3Fe(OH) 3 + MnO2 + K+ + 5H+, 2Fe 2+ + Cl2 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + 2Cl- + 6H+.

1-napowietrzanie otwarte ,2-komora reakcji do wytworzenia kłaczków Fe(OH)3 lub osadnik dozatrzymania wytrąconej zawiesiny Fe(OH)3 ,3-filtracja na filtrach ze złożem piaskowym pokrytymtlenkami żelaza i manganu,4-dezynfekcjaRys.9. Grawitacyjny układ oczyszczania wód podziemnych[12].

1-napowietrzania ciśnieniowe,2-filtracja ciśnieniowa,3-dezynfekcjaRys.10. Ciśnieniowy układ oczyszczania wód podziemnych[12]

1-napowietrzanie,2-filtr kontaktowy,3-dezynfekcjaRys.12. Oczyszczania wód podziemnych z napowietrzaniem i filtracją kontaktową [12

Rys.23 Schemat urządzenia do napowietrzania wody przez rozdeszczowanie[17]

Rys.24 Schemat napowietrzania wody na ociekaczach przy odżelazianiu wody[16]1-studnia, 2-pompyI stopnia, 3-ociekacz, 4-osadnik, 5-filtr pośpieszny, 6-zbiornik wody czystej,7-przewod ssawny pomp II stopnia

Inne metody usuwania żelaza

Utlenianie żelaza w warstwie wodonośnej

Proces utleniania żelaza w warstwie wodonośnej zwany jest metodą VYREDOX, a opracowali ją Halberg i Martinell. Polega ona na okresowym (co 2 tygodnie w ciągu 20 h) lub stałym wtłaczaniu do warstwy wodonośnej natlenionej i odgazowanej wody za pomocą 3-4 piezometrów zlokalizowanych w odległości 3-4 m od studni, z której ujmowana jest woda. W wyniku infiltracji wody natlenionej w sąsiedztwie studni tworzą się strefy podwyższonego potencjału redoks (rys. );

Wymiana jonowa

Usuwanie żelaza zapewnia również wymiana jonowa na kationitach. Jony Fe (II) są bardzo łatwo wymieniane na jednowartościowe jony ruchliwe grup funkcyjnych jonitu. Największy stopień wymiany zapewniają kationity silnie kwaśne,pracujące w cyklu wodorowym. Wówczas, poza żelazem, usuwane są inne kationy, głównie mangan, wapń i magnez, a woda po dekationizacji charakteryzuje się dużą kwasowością i powinna być skierowana na anionity.

SO3HSO3HSO3H

SO3NaSO3NaSO3Na

SO3

SO3

SO3

+ Fe3+SO3

SO3

SO3

. .

Fe + 3H+

Fe + 3 Na+

+ Fe3+

SO3-

SO3-

SO3-

SO3

SO3

SO3

Fe+ Fe3+

.Forma ‘sodowa’ .

Forma ‘wodorowa’

Forma ‘jonowa’

Zmiękczanie wody

Zużycie Wody w Polsce

PrzeznaczenieZużycie w latach (hm3)

1988 1993 1996

Przemysł 9220 8140 8320

Gosp. komunalna 2590 1395 1425

R i L 1540 1395 1425

hm3 = ?

Wskaźniki jakości wody

— fizyczne (temperatura)

— mikrobiologiczne

— chemiczne (zw. biogeniczne, POP’s – RZO)

Twardość jest związana z obecnością Ca2+ w wodzie

– CO32– (węglanowa)

– SO42–, Cl– (niewęglanowa)

Ca2+ Mg2+ Na2+

CO22- HCO3

-

K+ Inne

Tw węglan.

Twniew.

Inne możliwości ?

Wykres pasmowy

SO4 Cl Inne

Jednostki twardości

mval/l

°N

Ca2+

Ca Ca

napięcie powierzchniowe

mydło CnH2n+1COOH

mydło + Ca2+

Dekarbonizacja termiczna

– usuwanie twardości węglanowej

CO2 + H2O 2H+ + CO32-H+ + HCO3

-H2CO3

+ Ca2+ + Ca2+

Ca(HCO3)2 CaCO3 ↓

Ca(HCO3)2 CaCO3↓ + H2O + CO2↑temp

Dekarbonizacja wapnem

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2

CO2 + Ca(OH)2

2CaCO3↓ + 2H2O

MgCO3 + CaCO3↓ + 2H2O

CaCO3↓ + H2O

Obliczenie ilości CaO

CaO = 28 ( tw + CO2 ) ( g CaO/m3 )

Pozostaje twardość szczątkowa 0,3 - 1,2 mval/dm3

Zmiękczanie węglanem i wodorotlenkiem sodu

– nieznaczna twardość węglanowa / duża twardość niewęglanowa

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O Ca(HCO3)2 + 2NaOH = CaCO3↓ + Na2CO3 + 2H2O

Mg(HCO3)2 + 4NaOH = Mg(OH)2 + 2Na2CO3 + 2H2O

Ca(HCO3)2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaHCO3

też zmiękcza

a) usuwanie twardości węglanowej

uwzględniamy węglan sodu powstający przy usuwaniu twardości węglanowej

Zmiękczanie węglanem i wodorotlenkiem sodu (c.d.)

b) usuwanie twardości niewęglanowej

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4

c) obliczanie ilości reagentów

NaOH = 40 (tww + twMg + CO2 + 0,5) g NaOH/m3

Na2CO3 = 53 (twnw - CO2 - tww - twMg + 1,5) g Na2CO3/m3

Pozostaje twardość szczątkowa na poziomie 0,2-0,2 mval/dm3

Zmiękczanie za pomocą wapna i sody

– dodajemy Na2CO3 i Ca(OH)2

– zachodzące reakcje

– jak obliczamy ilości reagentów

– zwykle stosujemy podgrzewanie

100°C - 1 godz. 50°C - 2,5 godz.

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3↓ + H2O CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4

CaO = 28 ( tww + twMg + CO2 + 0,5 )Na2CO3 = 53 ( twnw + 2 )

Zmiękczanie fosforanami sodu

– znikoma rozpuszczalność Ca3(PO4)2

– szczątkowa twardość 0,02 mval/dm3

– zwykle dwustopniowe

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3

3CaCO3 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3

3CaSO4 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + 3Na2SO4

Zmiękczanie i demineralizacja za pomocą wymiany jonowej

Jonity — nierozpuszczalne polimery zasobne w grupy funkcyjne

Wymiana jonowa

Usuwanie jonów wapniowych zapewnia również wymiana jonowa na kationitach. Jony Ca (II) są bardzo łatwo wymieniane na jednowartościowe jony ruchliwe grup funkcyjnych jonitu. Największy stopień wymiany zapewniają kationity silnie kwaśne,pracujące w cyklu wodorowym. Wówczas, poza wapniem, usuwane są inne kationy, głównie mangan, żelazo i magnez. Woda po dekationizacji charakteryzuje się dużą kwasowością i powinna być skierowana na anionity.

Wymiana jonowa

Pojęcia:-wymieniacz jonowy, kationit, anionit-zdolność jonowymienna-obiętość przebicia, ładunek przebicia-regeneracja-popłuczyny

- w technologii wody proces jednostkowy stosowany w celu obniżenia mineralizacji wody- reakcja chemiczna polegająca na wymianie ruchliwych jonów poniędzy fazą stałą i cieczą

SO3HSO3HSO3H

SO3NaSO3NaSO3Na

SO3

SO3

SO3

+ Ca2+SO3

SO3

SO3

. .

Ca + 3H+

H

Ca + 3 Na+

H

+ Ca2+

SO3-

SO3-

SO3-

SO3

SO3

SO3

CaH

+ Ca2+

.Forma ‘sodowa’ .

Forma ‘wodorowa’

Forma ‘jonowa’

Ca(HCO3)2

Mg(HCO3)2

CaSO4

MgSO4

MgCl2

NaCl

H2CO3

CaSO4

MgSO4

CaCl2

MgCl2

NaCl

CaSO4

MgSO4

CaCl2

MgCl2

NaCl

Na2SO4

NaCl

CO2

H+ odgaz Na+

Słabo kwaśnykationit

PROCESY MEMBRANOWE

ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNE- podział metod usuwania

przegrody

-kraty-sita-µ -sita-przegrody-membrany

złoża porowate

-jednowarstwowe-wielowarstwowe

-powolne-szybkie

-ciągłe-okresowe(płukane)

-odżelazianie-wymiana jonowa-adsorpcja

złoża namywane

-µ -filtracja-u-filtracja-n-filtracja-oo (RO)

-liczba warstw

-szybkośc filtracji

-ciagłość pracy

-specjalne

-perforowane-siatkowe

Sedymentacja/Flotacja Filtracja

2. Rozmiary substancji rozpuszczonych i zawiesin

2.1. Rozmiary i masy cząsteczkowe

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 lg ΦΦ (µm)

102 104 106 M. cząstecz. (D)

10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 1 10 102 103

cząstki rozpuszczone koloidy zawiesiny

3. Rozmiary dodatków do wody

S. nieorg.Makrocząst.KoloidyZawiesinyWirusyBakterieGlonyPierwotniaki

OkoMikroskop opt.Mikroskop elek.

FiltracjaFilt. membru-Filtrn-FiltrOsmoza

10-4 -3 -2 -11

1 2 30φ (µm) 10

Π

Π> Π

1. 2. 3.

4. 5.

Odwrócona Osmoza-OO/RO1-2-3-4-5

Pwoda uzdatniananadawa

solankaretentat

membrana

permeat(woda oczyszczona)

Schemat filtracji powierzchniowej(cedzenie)

ZD

ZZ

> Π

4. Charakterystyka ilościowa

— współczynnik retencji (stopień zatrzymania, współczynnik eliminacji)

CzC - C

R pzs =

— stopień konwersji

(100%) QQ

Yz

p=

— przepływ objętościowy

StV I

m

rv ⋅

=

pI L v

∆=

[m3/m2d]

[m3/m2dMPa]

L – przepływ hydraulicznyIv – przepływ objętościowy

V – objętośćt – czasS – powierzchnia

5. Przepływ objętościowy a selektywność

— przepływ objętościowy wody

— przepływ substancji rozpuszczonej

( )∆ Π∆= - PA - Iw

CB - Is ∆=Π – ciśnienie osmotyczneP – ciśnienie roboczeA, B = f (T, P, C, memb)C – stężenie

6. Praktyka odwróconej osmozy

— uproszczony schemat instalacji

— membrany

— fouling

— moduły membranowe