6. UTLENIANIE

6.1. WIADOMOŚCI OGÓLNE

Utlenianie stosowane jest do zmiany składu wody w celu poprawy jej włas­ności organoleptycznych, fizykochemicznych i mikrobiologicznych oraz dc wspomagania jednostkowych procesów technologicznych. Utlenianie stosowane jest w celu destrukcji związków organicznych wywołujących barwę, smal i zapach wody (substancji humusowych, geosminy, fenoli i in.), niszczeni; organizmów żywych (np. fito- i zooplanktonu, bakterii), zmiany stopnia utlenie nia związków zredukowanych (np. siarkowodoru, siarczków, dwuwartościowegc żelaza, dwuwartościowego manganu), destabilizacji koloidów. Proces ten stoso wany jest do odżelaziania i odmanganiania, wspomagania koagulacji, sorpcj i biodegradacji oraz do dezynfekcji. W zależności więc od celu technologicznegi stosowane jest utlenianie wstępne, pośrednie i końcowe oraz dezynfekcyjne.

Do utleniania najczęściej stosuje się tlen zawarty w powietrzu atmosferycz nym, chlor, dwutlenek chloru, chloraminy, nadmanganian potasu, ozon, pre mienie UV oraz coraz częściej metody zaawansowanego utleniania (ang. aa vanced oxidation processes, AOP), oparte m.in. na reakcjach fotochemicznyc prowadzonych za pomocą H₂0₂/UV, 0₃/UV lub fotokatalitycznych przy uży ciu TiO,/UV z wykorzystaniem powstających w wodzie rodników hydroksyle wych OH'. Zdolności utleniające poszczególnych utleniaczy ocenia się n podstawie ich potencjału oksydoredukcyjnego, którego wartość zależy ściś¹ od pH wody i jest wyższa w środowisku kwaśnym. Potencjał oksydoredukcy ny wynosi'dla: rodników OH" - 2,8 V, ozonu - 2,08 V, H₂0₂ - 1,78 \ KMn0₄ - 1,68 V, chloru - 1,36 V, C10₂ - 1,27 V, tlenu - 1,23 V). Utleni nie związków nieorganicznych zachodzi bardzo efektywnie. Utlenianie zwią. ków organicznych rzadko prowadzi do ich pełnej mineralizacji, tj. do powst. nia C0₂ i H₂0, najczęściej do powstawania pośrednich produktów utleniani czyli prostszych związków organicznych. Mogą być więc generowane wtón zanieczyszczenia wody, tzw. uboczne produkty utleniania, o właściwościa> bardziej szkodliwych niż ich prekursory. Jest to zjawisku niepożądane, jedn dosyć często występujące i dlatego utlenianie powinno być poprzedzone pro­cesami zapewniającymi usuwanie prekursorów. W celu usunięcia produktów utleniania należy stosować proces sorpcji na węglu aktywnym.

Na przebieg procesu utleniania ma wpływ: rodzaj utleniacza, jego dawka i czas kontaktu z wodą oraz pH, temperatura i domieszki wody.

/ody w celu poprawy jej włas- mikrobiologicznych oraz do licznych. Utlenianie stosowane i wywołujących barwę, smak .niny, fenoli i in.), niszczenia ikterii), zmiany stopnia utlenie- siarczków, dwuwartościowego ,cji koloidów. Proces ten stoso- ,pomagania koagulacji, sorpcji i więc od celu technologicznego ońcowe oraz dezynfekcyjne, arty w powietrzu atmosferycz- lmanganian potasu, ozon, pro- isowanego utleniania (ang. ad­ria reakcjach fotochemicznych b fotokatalitycznych przy uży- wodzie rodników hydroksylo- lych utleniaczy ocenia się na którego wartość zależy ściśle iym. Potencjał oksydoredukcyj- ,u - 2,08 V, H₂0₂ - 1,78 V, 27 V, tlenu - 1,23 V). Utlenia- i efektywnie. Utlenianie związ- lej mineralizacji, tj. do powsta- iśrednich produktów utleniania, ą być więc generowane wtórne y utleniania, o właściwościach o zjawisku niepożądane, jednak

6.1.1. UTLENIANIE TLENEM Z POWIETRZA

Napowietrzanie (aeracja) wody stosowane jest do przeprowadzenia desorp­cji gazów i lotnych związków organicznych z wody oraz do jej natleniania. Powietrze zawiera 20,95% tlenu, który jest wykorzystywany w zabiegach odżelaziania i odmanganiania, nitryfikacji oraz po denitryfikacji w celu usu­nięcia azotu gazowego. Efektywna rozpuszczalność tlenu z powietrza w wo­dzie wynosi 10 mg/l. Podczas napowietrzania wody następuje przenoszenie cząsteczki gazu przez granice faz powietrze/woda. Podczas odgazowania na­stępuje przenoszenie z wody C0₂, H₂S, NH₃ i lotnych związków organicz­nych do fazy gazowej. Podczas natleniania wody zachodzi proces przechodze­nia tlenu z fazy gazowej do fazy wodnej.

Efektywność przepływu gazu na granicy faz zależy od różnicy stężeń po obu stronach granicy faz, od wielkości powierzchni granicy faz oraz od stężeń utrzymujących się tuż przy granicy faz. Napowietrzanie wody prowadzi się przy dużych nadmiarach objętości powietrza. W praktyce mniej powietrza potrzeba do natlenienia wody niż do jej odgazowania.

Utlenianie tlenem z powietrza jest stosowane podczas odżelaziania i od­manganiania wody. Przebieg reakcji utleniania żelaza i manganu występują­cych w wodzie na +2 stopniu utlenienia do nierozpuszczalnych frakcji związ­ków żelaza Fe(III) i manganu Mn(IV) zależy od pH wody, które zmienia się podczas napowietrzania i dyfuzji z wody C0₂ zgodnie z reakcjami:

4Fe⁺² + 0₂ + lOf^O — 4Fe(OH)₃ + 8H⁺

2 Mn"² + 0₂ + 21^0 — 2Mn0₂ + 4H⁺

Reakcja utleniania żelaza zachodzi efektywnie przy pH > 7,5, natomiast manganu - pH > 9,0. Optymalny odczyn wynosi 8,5 dla żelaza i 10,5 dla manganu.

6.1.2. UTLENIANIE OZONEM

Ozon jest dobrze rozpuszczalnym w wodzie bardzo reaktywnym i jednym z najsilniejszych utleniaczy stosowanych do oczyszczania wody. Otrzymywany

jest metodą cichych wyładowań w powietrzu lub tlenie między dwiema elek­trodami pod napięciem 6-^-20 kV. W celu uzdatniania wody ozon wytwarzany jest w miejscu stosowania. Do jego produkcji służą generatory ozonu, zwane ozonatorami. Powietrze stosowane do produkcji ozonu musi być osuszone i pozbawione zanieczyszczeń. Wytworzona w ten sposób mieszanina powietrz- no-ozonowa (lub tlenowo-ozonowa) wprowadzana jest do oczyszczanej wody. Ozon jest gazem bardzo reaktywnym, ale równocześnie nietrwałym. Czas „życia" cząsteczki ozonu zależy od pH, temperatury wody, stężenia substancji organicznych i nieorganicznych. Przy 7 < pH < 10 czas ten wynosi od 15 do 25 min. Ozon reaguje ze składnikami wody na dwa sposoby, tj. w bezpośred­niej reakcji ozonu cząsteczkowego oraz pośrednio w reakcji wolnych rodni­ków tworzących się podczas rozpadu cząsteczki ozonu w wodzie. Ozon jest alotropową odmianą tlenu o wzorze cząsteczkowym 0₃. Cząsteczka ozonu jest nietrwała w wodzie i ulega rozpadowi na tlen cząsteczkowy i wolne rod­niki OH' i OH₂":

03+^,0—20^+02

Reakcja ta zachodzi wielokrotnie szybciej w obecności jonów hydroksylowych OH":

o₃ + oh" —> 2o₂"' + oh;

Reakcja ozonowania przebiega na drodze bezpośredniego utlenienia związ­ku przez cząsteczką ozonu lub z wykorzystaniem powstających przy rozpa­dzie ozonu wolnych rodników.

Ozon może być stosowany do utleniania organicznych i nieorganicznych domieszek i zanieczyszczeń wody oraz niszczenia bakterii i wirusów; najczęś­ciej do utleniania makro- i mikrozanieczyszczeń organicznych występujących w wodzie, a także do utleniania niektórych metali, np.: żelaza(II) i manga- nu(II). Ozon przyczynia się do poprawy właściwości organoleptycznych wody — usunięcia smaku, zapachu i barwy. Pomimo niszczącego oddziaływania na mikroorganizmy jest rzadko stosowany jako środek dezynfekcyjny, ponieważ jest nietrwały w środowisku wodnym i nie zabezpiecza przed wtórnym biolo­gicznym zanieczyszczeniem wody podczas magazynowania i dystrybucji.

Ozonowanie wody stosowane jest zwykle w technologii uzdatniania wody łącznie z innymi procesami jednostkowymi. Wspomaga proces koagulacji i sorpcji. Ozon niszczy koloidy ochronne i ułatwia przebieg koagulacji. Najczęściej ozonowanie stosowane jest przed filtrami węglowymi. Ozon powo­duje rozkład wielkocząsteczkowych substancji organicznych do związków prost­szych, które są łatwiej sorbowane na powierzchni węgla aktywnego i skuteczniej podlegają biodegradacji w filtrach węglowych biologicznie aktywnych.

Do właściwego przebiegu procesów utleniania niezbędna jest odpowiednia dawka ozonu oraz odpowiednio długi czas kontaktu z oczyszczaną wodą. Skuteczność ozonowania zależy także od pH i temperatury wody oraz zawar­
tości jonów węglanowych i fosforanowych, które zmniejszają efektywność procesu. Wraz ze wzrostem pH i obniżeniem temperatury wody uzyskuje się lepsze i szybsze utlenianie związków wywołujących barwę oraz bardziej sku­teczne utlenienie fenoli, cyjanków i substancji powierzchniowo czynnych. Od­wrotny wpływ takiego oddziaływania obydwu parametrów zaobserwowano w przypadku niszczenia bakterii i wirusów.

(6.1)

D, = n

o n

+ D+ D

Z ilości ozonu wprowadzonego do wody (dawka brutto D_b) tylko część wykorzystywana jest w reakcjach utleniania zanieczyszczeń obecnych w wo­dzie (dawka netto D_n)\

[mgcyi]

Na dawkę ozonu brutto składają się: dawka ozonu netto D_n, ilość ozonu pozostałego w wodzie po określonym czasie ozonowaniu D_p oraz ilość ozonu straconego wraz z powietrzem odlotowym z komory reakcji D^.

6.1.3. UTLENIANIE NADMANGANIANEM POTASU

Nadmanganian potasu jest utleniaczem powszechnie stosowanym do oczyszczania wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Jest to stosunkowo

silny utleniacz, który utlenia domieszki wody, takie jak: Fe , Mn , S~~, CN~, fenole, związki aromatyczne i alifatyczne, substancje humusowe i inne wywo­łujące barwę wody oraz nieakceptowalny smak i zapach. Zapewnia także biologiczną stabilność wody. Podczas utleniania w środowisku kwaśnym następuje redukcja Mn(VII) do Mn(II), w środowisku obojętnym i zasadowym - utlenienie do Mn(IV) i powstanie tlenku manganu Mn0₂, który wykazuje specyficzne właściwości katalityczne i sorpcyjne.

Reakcje z wybranymi zanieczyszczeniami wody przebiegają następująco:

+ 3 Fe⁺³ +2 HjO + 4H⁺

+ 12 CL

* Mn O

^2H2° ' —> 4MnO — 2MnO.

2

5MnO

+ 8H⁺

+ H⁺

C Cl

2 4

C₂HC1₃ + 2KMnO„

3^8 + 4KMn0₄ —* 3MnO + Mn0₂ +2K₂S0₄ + S° + 3H.O

Fe⁺² + Mn0₄" + 4H^ł 3Mn⁺² +2MnO; +

4KMnO.

₂ + 6C0₂ +4K ₂ +2C0₂ +2K^ł +3C1

Do przeprowadzenia reakcji utleniania w wodzie potrzebne są odpowiednie ilości KMn0₄, które wynoszą odpowiednio: 4-6-krotność zawartości H₂S, 0,94 mg/mg Fe⁺², 1,92 mg/mg Mn⁺², 0,5-^2,5 mg/l wody zawierającej natural­ną materię organiczną, 0,54-2,5 mg/l wody w celu usunięcia smaku i zapachu, 6-7-krotność zawartości fenolu, 2-4-krotność zawartości trichloroetylenu.

i tlenie między dwiema elek- iania wody ozon wytwarzany użą generatory ozonu, zwane

1. ozonu musi być osuszone sposób mieszanina powietrz-

a jest do oczyszczanej wody. ^rnocześnie nietrwałym. Czas ury wody, stężenia substancji czas ten wynosi od 15 do wa sposoby, tj. w bezpośred- io w reakcji wolnych rodni- ozonu w wodzie. Ozon jest >wym 0₃. Cząsteczka ozonu n cząsteczkowy i wolne rod-

ności jonów hydroksylowych

jośredniego utlenienia związ- m powstających przy rozpa-

;anicznych i nieorganicznych 1 bakterii i wirusów; najczęś- organicznych występujących tali, np.: żelaza(II) i manga- )ści organoleptycznych wody iszczącego oddziaływania na lek dezynfekcyjny, ponieważ piecza przed wtórnym biolo- ynowania i dystrybucji, echnologii uzdatniania wody Wspomaga proces koagulacji łatwia przebieg koagulacji, imi węglowymi. Ozon powo- tnicznych do związków prost- /ęgla aktywnego i skuteczniej logicznie aktywnych.

niezbędna jest odpowiednia itaktu z oczyszczaną wodą. mperatury wody oraz zawar­

Zapotrzebowanie wody na KMn0₄ określane jest każdorazowo izależy od pH, temperatury i domieszek wody oraz czasu kontaktu. Proces utleniania większości
substancji zachodzi szybciej w środowisku alkalicznym, a na efektywność oczyszczania wody wpływa także towarzysząca mu sorpcja na MnO_a. Istnieje niebezpieczeństwo, że niewłaściwie dobrane dawka i czas kontaktu mogą powo­dować pojawienie się w wodzie oczyszczonej nadmiernych ilości manganu, a nawet różowego zabarwienia wody. Zaletą stosowania nadmanganianu potasu, w porównaniu z chlorem czy ozonem, jest brak ubocznych produktów utleniania.

6.1.4. UTLENIANIE PROMIENIAMI UV

Promienie UV wywołują w środowisku wodnym fotodegradację substancji organicznych, w tym substancji humusowych, pestycydów, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA), dzięki procesowi fotolizy bezpośredniej i pośredniej. Fotoliza bezpośrednia to absorpcja fotonu przez cząsteczkę i wywo­łanie reakcji chemicznej (najczęściej utleniania). Bezpośrednim efektem działania promieniowania może być": rozerwanie wiązań chemicznych, przekształcenie związków organicznych w inne lub całkowita ich degradacja, dysocjacja związ­ków utleniających i tworzenie wysoce reaktywnych rodników zdolnych do degradacji substancji organicznych. Fotodegradacja zanieczyszczeń organicznych w wyniku reakcji z rodnikiem OH' czy ozonem jest zjawiskiem fotolizy pośred­niej. Reakcje fotolizy wywoływane są działaniem promieni UV najczęściej w paśmie 210+400 nm. W warunkach sztucznych uzyskuje się je, stosując odpo­wiednie lampy UV — promienniki UV. Ilość promieniowania UV wprowadzane­go do wody określa się dawką D [mJ/cm²], wyrażoną iloczynem natężenia pola promieniowania E [mW/cm²] i czasu naświetlania i is]

D = Et [mJ/cm²] ^

Natężenie pola promieniowania maleje wraz z odległością ód lampy i zale­ży od parametrów fizycznych i chemicznych wody wpływających na przepusz­czalność promieni i inicjację reakcji fotochemicznych. Szczególnie barwa, męt­ność oraz zawartość zawiesin, żelaza i manganu wpływają na przepuszczalność wody dla promieni UV, którą określa się na podstawie pomiaru transmitancji przy długości fali 254 nm. Na przebieg procesu fotodegradacji ma wpływ na­tężenie światła i długość jego fali, pH, obecność anionów, w tym chlorków, a szczególnie węglanów i wodorowęglanów, które obniżają efektywność proce­su utleniania. Do dezynfekcji wody stosowane są najczęściej dawki promienio­wania od 400 mJ/cm² dla wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, 500+600 mJ/cm² dla wody używanej w przemyśle spożywczym, 850 mJ/cnT do nawet 1200 mJ/cm² — dla wody używanej w przemyśle farmaceutycznym. Potrzebne do przeprowadzenia reakcji utleniania związków organicznych dawki przekraczają 1000 mJ/cm². Wytwarzanie silnie reaktywnych rodników hydro­ksylowych OH' w celu przeprowadzenia utleniania zostało zintensyfikowane
w procesach łącznego stosowania promieniowania UV w paśmie 250+450 nm _z utleniaczami chemicznymi, szczególnie perhydrolem (H₂0₂/UV), ozonem (0₃/UV), ozonem i perhydrolem (0₃/H₂0₂/UV), lub z katalizatorem w postaci tlenku tytanu (Ti0₂/UV). Układy te są stosowane do usuwania mikrozanie- czyszczeń z wody, np. rozpuszczalników, pestycydów, herbicydów.

Do wytwarzania promieniowania UV stosowane są lampy niskociśnieniowe o mocy 10+40 W lub średniociśnieniowe o mocy 100+400 W.

6.1.5. UTLENIANIE FOTOCHEMICZNE H₂0/UV

20h"

W wodzie poddawanej działaniu nadtlenku wodoru i promieni UV powsta­ją wolne rodniki OH* pod wpływem fotolizy wywołanej działaniem promieni UV o długości fali X = 210^400 nm na cząsteczkę H₂0₂. W wodzie zacho­dzi reakcja, której szybkość rośnie wraz ze wzrostem pH:

h v

«A

Rodnik hydroksylowy może wywoływać szereg następujących po sobie reak­cji łańcuchowych:

hą + oh' —► h^o + h0₂~

h0₂ + h₂0₂ —* hp + 0₂ + oh*

Po przekroczeniu optymalnej dla danego układu wartości natężenia promienio­wania UV, przy której stężenie wytwarzanych rodników jest zbyt duże, za­chodzą reakcje rekombinacji prowadzące do ponownego tworzenia H₂0₂:

ho₂" + ho; —► r,o₂ + o₂

oh" + oh" —> h20₂

W zależności od pH w wyniku utleniania substancji organicznych zachodzi formowanie różnych związków pośrednich. Optymalna wartość pH zależy od charakteru substancji organicznych i nieorganicznych zawartych w wodzie.

6.1.6. UTLENIANIE FOTOCHEMICZNE 0₃/UV

icznym, a na efektywność a sorpcja na Mn0₂. Istnieje i czas kontaktu mogą powo- dmiernych ilości manganu, ania nadmanganianu potasu, znych produktów utleniania.

ffl fotodegradację substancji ydów, wielopierścieniowych esowi fotolizy bezpośredniej nu przez cząsteczkę i wy wo- pośrednim efektem działania emicznych, przekształcenie jgradacja, dysocjacja związ- ch rodników zdolnych do anieczyszczeń organicznych zjawiskiem fotolizy pośred- i promieni UV najczęściej yskuje się je, stosując odpo- ńowania UV wprowadzane- lą iloczynem natężenia pola

'W

(6.2)

dległością od lampy i zale- wplywających na przepusz- Ł Szczególnie barwa, męt- lywają na przepuszczalność iwie pomiaru transmitancji odegradacji ma wpływ na- nionów, w tym chlorków, bniżają efektywność proce- j częściej dawki promienio- do spożycia przez ludzi, spożywczym, 850 mJ/cnr zemyśle farmaceutycznym, ązków organicznych dawki ctywnych rodników hydro- i zostało zintensyfikowane

W wodzie poddawanej działaniu ozonu i promieni UV powstają wolne rodniki OH" pod wpływem fotolizy wywołanej działaniem promieni UV o długości fali X < 310 nm na cząsteczkę 0₃. W wodzie zachodzi reakcja

°2 ⁺

h v

03+H.0

Cząsteczka H₂0₂ może ulegać fotolizie lub rozkładowi, co prowadzi do wy­tworzenia rodnika OH" zgodnie z reakcjami podanymi w p. 6.1.5.

6.2. WYKONANIE BADAŃ

1. CEL I ZAKRES BADAŃ

Celem badań jest określenie wpływu jakości wody i wybranych parame­trów technologicznych na efektywność utleniania wybranym utleniaczem i określenie optymalnych warunków prowadzenia procesu.

Zakres badań obejmuje określenie wpływu dawki, czasu kontaktu i pH na skuteczność utleniania i jakość wody.

1. APARATURA I SPRZĘT

   1. pehametr,

   2. mętnościomierz,

   3. spektrofotometr HACH,

   4. miernik przewodności,

   5. stoper,

   6. łaźnia wodna,

   7. komora napowietrzania o po­jemności 10 1,

2. ODCZYNNIKI I SZKŁO

   1. roztwory NaOH o stężeniu 1%, KMn0₄ o stężeniu 1%, H₂0₂ o stężeniu 30%,

   2. zestawy do oznaczania: jonu amonowego, azotanów, chlorków, siarczanów, twardości ogólnej i węglanowej, wolnego dwutlenku węgla, żelaza ogólne­go i żelaza dwuwartościowego, manganu, ozonu.

3. BADANIA NAD NAPOWIETRZANIEM WODY

6.2.4.1. WPŁYW CZASU NAPOWIETRZANIA

8. zestaw mieszadeł,

9. 6 zlewek o pojemności 1 1, j) zestaw do ozonowania wody,

k) zestaw filtrów ze złożem pias­kowym (d = 0,6+1,4 mm, h = 30+50 cm), 1) reaktor laboratoryjny UV.

Rys. 6.1. Zestaw z napowietrza- czem akwaryjnym

Do komory napowietrzania przedstawionej na rys. 6.1 wlać szybko 5 1 wody i rozpocząć jej napowietrzanie z intensywnością 90 l/min. Pobierać próbki wody do analizy po czasie napowietrzania t_k = 1, 3, 5, 10, 15, 20 min. Bezpośrednio po napowietrzaniu w każdej próbce oznaczyć pH, mętność i zapach, zawar­tość wolnego C0₂, rozpuszczonego tlenu, żela­za dwuwartościowego Fe(II). Wyniki zestawić
w tabl. 6.1 i na ich podstawie ustalić optymalny czas napowietrzania badanej wody, czyli taki który gwarantuje utlenienie Fe(II) do Fe(III).

Tablica 6.1

Wyniki badań nad efektywnością napowietrzania wody

Lp.	Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	Woda po napowietrzaniu w czasie tk [min]
				1
1	Mętność	NTU
2	Zapach	-
3	pH	-
4	Żelazo Fe(II)	mg/l
5	Wolny C02	mg/1
6	Tlen rozpuszczony	mg/l

6.2.4.2. WPŁYW pH NA EFEKTYWNOŚĆ UTLENIANIA

Do komory napowietrzania (rys. 6.1) wlać szybko 5 1 wody. Do wody doda­wać stopniowo NaOH o stężeniu 1%, mierząc stale pH, do momentu uzyskania wartości pH = 7. Przeprowadzić napowietrzanie wody z intensywnością 90 l/min w czasie t_k = 5 min. Wodę przefiltrować z prędkością filtracji \_f = 10 m/h przez złoże piaskowe przeznaczone do odżelaziania wody. W filtracie oznaczyć pH, mętność i zapach, zawartość wolnego C0₂, rozpuszczonego tlenu, żelaza dwuwartościowego Fe(II) i manganu. Czynności te powtórzyć, dodając taką ilość NaOH do wody surowej, aby uzyskać w kolejnych próbach wartość pH równą 8, 9 i 10. Wyniki zestawić w tabl. 6.2 i na ich podstawie ustalić optymal­ne pH, przy którym następuje efektywne utlenianie żelaza i manganu w wodzie.

vody i wybranych parame- ia wybranym utleniaczem rocesu.

ki, czasu kontaktu i pH na

w mieszadeł,

wek o pojemności 1 1,

w do ozonowania wody,

w filtrów ze złożem pias-

/m (d = 0,6 + 1,4 mm,

30-50 cm),

.or laboratoryjny UV.

u 1%, H₂0₂ o stężeniu 30%, nów, chlorków, siarczanów, lenku węgla, żelaza ogólne-

ODY

owietrzania przedstawionej ybko 5 1 wody i rozpocząć : intensywnością 90 l/min. idy do analizy po czasie 1, 3, 5, 10, 15, 20 min. napowietrzaniu w każdej [, mętność i zapach, zawar- rozpuszczonego tlenu, żela- go Fe(II). Wyniki zestawić

Wyniki badań nad wpływem pH na efektywność utleniania żelaza i manganu

Lp.	Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	Woda po alkalizacji, napowietrzaniu i filtracji
				pH = 7
1	Mętność	NTU
2	Zapach	-
3	PH	-
4	Wolny C02	mg/l
5	Żelazo Fe(II)	mg/l
6	Żelazo ogólne	mg/l
7	Mangan	mg/l
8	Tlen rozpuszczony	mg/l

Tablica 6.2

6.2.5. BADANIA NAD OZONOWANIEM WODY

Celem badań jest określenie wpływu ozonu na zmianę jakości wody w za­leżności od parametrów procesu (dawka ozonu, czas kontaktu, pH, temperatura).

Zakres badań obejmuje określenie parametrów pracy ozonatora i wpływu dawki ozonu na jakość wody.

Badania prowadzi się w warunkach statycznych w komorze reakcji o po­jemności 1 1.

6.2.5.1. OKREŚLENIE PARAMETRÓW PRACY OZONATORA

• Uruchomić ozonator 15 min przed rozpoczęciem oznaczenia i ustalić prze- pływ Q_p = 60 l/h przy napięciu U = 3 kV.

Z2

-{>4-

• W płuczce 1 (rys. 6.2) umieścić 100 ml roztworu jodku potasu (10% KJ).

powietrze ^	ozonator U, Qp

Z1

płuczka 1

pfuczka 3

płuczka 2

komora reakcji

Rys. 6.2. Schemat stanowiska badawczego do ozonowania wody

Zamknąć zawór Z1 i jednocześnie otworzyć zawór Z2.

Przez płuczkę przepuszczać mieszaninę powietrzno-ozonową w czasie

t = 5 min.

Natychmiast po zakończeniu przepływu oznaczyć zawartość ozonu w płuczce. Stężenie ozonu w mieszaninie powietrzno-ozonowej S obliczyć ze wzoru

aN- 24

mg 0₃

(6.3)

S =

1

V_

w którym:

a — ilość tiosiarczanu sodu zużytego na miareczkowanie próbki [ml], N — normalność roztworu tiosiarczanu sodu,

24 — gramorównoważnik ozonu,

V — objętość mieszaniny powietrzno-ozonowej przepuszczonej przez płuczkę [1].

— Wydajność ozonatora W obliczyć ze wzoru

(6.4)

NATORA

n oznaczenia i ustalić prze- u jodku potasu (10% KJ).

[mg 0₃

W = SQ„

w którym:

5 - stężenie ozonu w mieszaninie powietrzno-ozonowej [mg 0₃/l], Q — natężenie przepływu mieszaniny powietrzno-ozonowej przez płucz­kę [l/h],

6.2.5.2. WYZNACZENIE PARAMETRÓW PROCESU OZONOWANIA

Badania należy wykonać wg kolejności podanej w tabl. 6.3, stosując do wyliczenia poszczególnych parametrów załączone w tablicy wzory.

rniianę jakości wody w za- kontaktu, pH, temperatura), pracy ozonatora i wpływu

i w komorze reakcji o po-

Dawką ozonu brutto D_b wprowadzoną w mieszaninie powietrzno-ozonowej do uzdatnianej wody oblicza się według wzoru

Wh

mg O,

(6.5)

D_b =

1

V-60

płuczka 1 / ozonowania wody ■vor Z2.

/ietrzno-ozonową w czasie s

i zawartość ozonu w płuczce, jwej S obliczyć ze wzoru

(6.3)

w którym:

W - wydajność ozonatora [mg 0₃/h], V — objętość ozonowanej próbki cieczy [1], t_k — czas kontaktu ozonu z próbką [min].

Ilość ozonu straconego D_st określa się metodą jodometryczną. Do pomiaru strat ozonu służy płuczka 3 (rys. 6.2) wypełniona roztworem jodku potasu.

(6.6)

Miareczkując próbkę tiosiarczanem sodu w obecności skrobi wyznacza się stężenie ozonu w powietrzu odlotowym S_st. Na tej podstawie wylicza się stratę wydajności ozonatora W_st oraz ilość ozonu straconego Z),

st^-

Ilość ozonu pozostałego D w ozonowanej cieczy odczytuje się z krzywej

wzorcowej, przy czym:

mg 0₃

D_p = 0,68.4

gdzie A — wartość odczytana z krzywej wzorcowej.

(6.7)

^D_P)

Dawką ozonu netto D_n zaabsorbowaną przez ozonowaną próbkę cieczy wylicza się ze wzoru

mg O,

D. =

1

oczkowanie próbki [ml],

Uwaga\ Ze względu na podwyższone do kilku kilowoltów napięcie prądu, w czasie prowadzenia badań należy zachować szczególną ostrożność i odpo­wiednie środki bezpieczeństwa zgodne z zaleceniami prowadzącego.

Wyniki badań nad wyznaczaniem wydajności ozonatora

Jednostki

Parametr

Wartość

Wzór obliczeniowy

PARAMETRY PRACY OZONATORA

kV

l/h

60

1. Napięcie

2. Wydatek powietrza

Q t

v = ^{p p} " 60

3. Objętość mieszaniny po- wietrzno-ozonowej przepusz­czonej przez płuczkę,

t - 5 min

ml

p

4. Średnia ilość tiosiarczanu sodu z trzech pomiarów

a.N-24

S„ =

mg Oj/l

5. Stężenie ozonu w miesza­ninie powietrzno ozonowej

W. = S. O

sr sr^D

mg 0₃/h

6. Wydajność ozonatora

PARAMETRY OZONOWANIA WODY

7. Objętość wody w komorze ozonowania (reakcji)

mg 0₃/l

V- 60

8. Dawka ozonu brutto

— Ö W

h =

9. Czas ozonowania wody

V = ^^ " 60

10. Objętość mieszaniny powietrzno-ozonowej

a„N- 24

S„ =

mgOj/1

11. Stężenie ozonu straconego

^w* - 5.0

mg 0₃/h

12. Strata wydajności ozonatora

W^t,

a'*

D„ =

mg O3/I

K-60

13. Ilość ozonu straconego

= ,4-0,68

mg Oj/l

14. Ilość ozonu pozostałego w wodzie po ozonowaniu

Ö = D_h - Z> - D

15. Ilość ozonu netto

mg O,/!

n Ö a p

A — wartość odczytana z krzywej wzorcowej, a^ a₂, a₃ — ilość tiosiarczanu sodu zużyta na

miareczkowanie danej próby wody [ml], N — normalność roztworu tiosiarczanu sodu,

24 - gramorównoważnik 0_3> f — czas przepływu mieszaniny powietrzno-ozo­nowej przez płuczkę.

ści ozonatora

d	Wartość
A
	3
	60
	i, =
	=
	^ =
	% =
'1
h
)Y
l
l
h
1
1
'1

-ównoważnik 0₃,

zepływu mieszaniny powietrzno-ozo- >rzez płuczkę.

6.2.5.3. BADANIE WPŁYWU DAWKI OZONU NA JAKOŚĆ WODY

• W płuczce 2 (rys. 6.2) umieścić F_w = 1 1 badanej wody.

• Do płuczki 3 nalać 100 ml roztworu jodku potasu (KJ 10%).

• Zamknąć zawór Z2 i otworzyć zawór Zl.

• Przez płuczki przepuszczać w określonym czasie t_k mieszaninę powietrz- no-ozonową.

• Po czasie t_k oznaczyć w wodzie stężenie ozonu pozostałego D_p.

• Ozonowaną wodę po 30 min poddać analizie fizykochemicznej i wyniki umieścić w tabl. 6.4.

• W roztworze z płuczki 3 oznaczyć ilość ozonu straconego D_st.

• Obliczyć dawkę ozonu netto D_n.

• Badanie powtórzyć dla różnych dawek ozonu.

Tablica 6.4

Analiza fizykochemiczna wody po procesie ozonowania

Lp.	Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	Woda po ozonowaniu w czasie tk [min]
				'i
1	Dawka ozonu	mg 03/l	-
2	pH	-
3	Zapach	-
4	Barwa	mg Pt/l
5	Utlenialność	mg 02/l
6	^254	cm"^1

6.2.6. BADANIA NAD UTLENIANIEM ZA POMOCĄ KMn0₄

6.2.6.1. WYZNACZANIE OPTYMALNEJ DAWKI

Do 6 zlewek o pojemności 1 1 wlać szybko po 1 1 badanej wody i umieścić je w zestawie mieszadeł (rys. 6.3). Do kolejnych zlewek dodać 1% KMn0₄ w ilości odpowiadającej dawkom D = 1, 2, 3, 4, 5 i 6 mg /l. Próbki mieszać w czasie t_k = 30 min, z intensywnością około 50 obr/min. Po zakończeniu mieszania przefiltrować przez złoże piaskowe z prędkością v = 5 m/h. Pierw­szą porcję filtratu około 300 ml odrzucić, a pozostałą wodę zebrać i wykonać jej analizę. Wyniki zestawić w tabl. 6.5 i na ich podstawie ustalić optymalną dawkę KMn0₄, czyli najmniejszą, która gwarantuje uzyskanie wymaganej jakości wody.

Wyniki badań nad ustaleniem optymalnej dawki KMn0₄

Lp.	Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	Woda z dawką KMn04, D [mg/l]
				1
1	Barwa	mg Pt/l
2	Mętność	NTU
3	Zapach	-
4	PH	-
5	Żelazo Fe(II)	mg/l
6	Żelazo ogólne	mg/l
7	Mangan	mg/l
8	Utlenialność	mg 02/l
9	^254	cm^-1

KMnOd

KMnOd

KMnOi KMnOi

KMnOd KMpOa

ok]

ok

oki

o^

Ok]

Ok]

Rys. 6.3. Zestaw do utleniania chemicznego

6.2.6.2. WYZNACZANIE OPTYMALNEGO CZASU KONTAKTU

Do 6 zlewek o pojemności 1 1 wlać szybko po 1 1 badanej wody. Do kolej­nych zlewek dodać 1% KMn0₄ w ilości D = 2 mg/l. Próbki umieścić w zes­tawie mieszadeł i mieszać w czasie t_k = 15, 30, 45 i 60 min z intensywnością około 50 obr/min. Po zakończeniu mieszania wodę przefiltrować przez złoże piaskowe z prędkością v, = 5 m/h. Pierwszą porcję filtratu około 300 ml odrzucić, a pozostałą wodę zebrać i wykonać jej analizę. Wyniki zestawić w tabl. 6.6 i na ich podstawie ustalić optymalny czas kontaktu wody z utlenia­czem, czyli najkrótszy, który gwarantuje uzyskanie wymaganej jakości wody.

Tablica 6.6

Wyniki badań nad ustaleniem optymalnego czasu kontaktu wody z KMn0₄

Lp.	Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	Woda po czasie kontaktu tk [min]
				15
1	Barwa	mg Pt/l
2	Mętność	NTU
3	Zapach	-
i_4_	pH	-
5	Żelazo Fe(II)	mg/l
6	Żelazo ogólne	mg/l
7	Mangan	mg/l
8	Utlenialność	mg o2n
9	A-254	cm^-1

6.2.6.3. WYZNACZANIE OPTYMALNEGO pH WODY

Do 6 zlewek o pojemności 11 wlać szybko po 11 badanej wody. Do kolejnych zlewek dodać 1% NaOH w ilości, która zapewni w kolejnych próbach pH = 7, 8, 9, 10. Próby umieścić w zestawie mieszadeł i mieszać z intensywnością około 50 obr/min. Do każdej zlewki dodać KMn0₄ w ilości D = 2 mg/l i kontynuować mieszanie w czasie t_k = 15 min. Po zakończeniu mieszania wodę przefiltrować przez złoże piaskowe z prędkością v_r = 5 m/h. Pierwszą porcję filtratu około 300 ml odrzucić, a pozostałą wodę zebrać i wykonać jej analizę. Wyniki zestawić w tabl. 6.7 i na ich podstawie ustalić optymalny czas kontaktu wody z utleniaczem, czyli najkrótszy, który gwarantuje uzyskanie wymaganej jakości wody.

d KMn0₄

iwką KMn04, D [mg/l]
3
|
i 1

ego

II

TAKTU

badanej wody. Do kolej- . Próbki umieścić w zes- 50 min z intensywnością jrzefiltrować przez złoże ? filtratu około 300 ml nalizę. Wyniki zestawić kontaktu wody z utlenia- /maganej jakości wody.

Tablica 6.7

Wyniki badań nad ustaleniem optymalnego pH wody

Lp.	Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	pH wody
				7
1	Barwa	mg Pt/l
2	Mętność	NTU
, 3	Zapach	-
4	pH	-
5	Żelazo Fe(II)	mg/l
6	Żelazo ogólne	mg/l
8	Mangan	mg/l
	Utlenialność	mg o2n
9	^254	cm'^1

6.2.7. BADANIA NAD UTLENIANIEM PROMIENIAMI UV, H₂0₂/UV lub 0₃/UV

6.2.7.1. WPŁYW DAWKI PROMIENIOWANIA UV

Reaktor laboratoryjny UV ustawić na mieszadle magnetycznym (rys. 6.4a), wlać próbkę wody o objętości 1 1 i włączyć mieszanie. Próbę poddać naświet­laniu, tak aby uzyskać założoną dawkę promieniowania. Zgodnie z równaniem (6.2) dla założonych dawek promieniowania D = 250, 500, 1000 i 2000 mJ/cm² i natężenia pola promieniowania reaktora E = 0,14 mW/cm² wymagany czas naświetlania wody wyniesie t_k = 30, 60, 120, 240 min. Bada­ne dawki mogą ulec zmianie w zależności od jakości wody i utlenianych sub­stancji. Po zakończeniu ekspozycji próbę przefiltrować przez złoża piaskowe i wykonać badanie wody w zakresie podanym w tabl. 6.8.

b)

o₃ uv

ńK7

X!

CZ

Rys. 6.4. Zestaw do fotochemicznego utlenia­nia: a) reaktor laboratoryjny UV, b) reaktor laboratoryjny UV z systemem ozonowania

Tablica 6.8

Wyniki badań nad ustaleniem optymalnej dawki promieniowania UV

Lp.	Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	Woda po czasie ekspozycji tk [min]
				30
1	Dawka	mJ/cm^2		250
2	Barwa	mg Pt/l
3	pH	-
4	Kwasy humusowe	mg/l
5	OWO	mg/l
6	Żelazo Fe(II)	mg/l
7	Żelazo ogólne	mg/I
8	Mangan	mg/l
9	Utlenialność	mg/l
10	^254	cm"^1

IENIAMI.UY, H₂0₂/UV

dle magnetycznym (rys. 6.4a), ¡szanie. Próbę poddać naświet- owania. Zgodnie z równaniem ia D = 250, 500, 1000 i reaktora E = 0,14 mW/cm² = 30, 60, 120, 240 min. Bada- ikości wody i utlenianych sub- iltrować przez złoża piaskowe - tabl. 6.8.

Zestaw do fotochemicznego utlenia- ■eaktor laboratoryjny UV, b) reaktor oryjny uv z systemem ozonowania

iwki promieniowania UV

Woda po czasie ekspozycji tk [min]
30
250

6.2.7.2. WPŁYW H₂O_z/UV

W ramach badań należy ustalić optymalną dawkę H₂0₂ i promieniowania UV. Należy wykonać cztery serie badań, w których dla stałej dawki promie­niowania UV zmienna będzie ilość wprowadzanego perhydrolu.

Reaktor laboratoryjny UV ustawić na mieszadle magnetycznym (rys. 6.4a), wlać próbkę wody o objętości 1 1 i włączyć mieszanie. Dodać założoną ilość H₂0₂ i włączyć lampę UV. Próbkę poddać naświetlaniu, tak aby uzyskać za­łożoną dawkę promieniowania. Po zakończeniu ekspozycji próbki przefiltro- wać przez złoża piaskowe i wykonać badanie wody w zakresie podanym w tabl. 6.9.

Tablica 6.9

Wyniki badań nad ustaleniem warunków utleniania w układzie H,0₂/UV

Lp.	Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	Woda po czasie ekspozycji tk i dawce H202, D [mg/l	60 min
				D = 10	D = 20
1	Dawka	mJ/cm^2		250	500
2	Barwa	mg Pt/l
3	PH	-
4	Kwasy humusowe	mg/l
5	OWO	mg/l
6	Żelazo Fe(IT)	mg/l
7	Żelazo ogólne	mg/l
8	Mangan	mg/1
9	Utlenialność	mg/l
10	^254	cm^-1

6.2.7.3. WPŁYW 0₃/UV

W ramach badań należy ustalić optymalną dawkę ozonu i promieniowania UV w warunkach jednoczesnego wprowadzania obu czynników do wody. Należy wykonać cztery serie badań.

Ustalić wydajność ozonatora zgodnie z instrukcja podaną w pkt. 6.2.5.2 i na tej podstawie obliczyć wymagany czas ozonowania (t_k) dla założonych dawek ozonu (D_n).

Reaktor laboratoryjny UV ustawić na mieszadle magnetycznym (rys. 6.4b), wlać próbkę wody o objętości 1 1 i włączyć mieszanie. Do reaktora włożyć

końcówkę przewodu doprowadzającego 0₃ i jednocześnie włączyć lampę UV. Proces prowadzić w czasie, który wynika z obliczeń wykonanych dla warun­ków ozonowania, zakładając wymagane dawki ozonu D_n = 5, 10, 20, 30 mg 0₃/l. Dawkę promieniowania D wyliczyć dla wynikającego z ozono­wania czasu ekspozycji. W celu określenia wpływu promieniowania UV, nale­ży przeprowadzić próby, w których do wody wprowadzany będzie tylko ozon w ilości zgodnej z założonymi dawkami.

Po zakończeniu ekspozycji próbki przefiltrować przez złoża piaskowe i wykonać badanie wody w zakresie podanym w tabl. 6.10.

Tablica 6.10

Wyniki badań nad ustaleniem warunków utleniania w układzie 0₃/UV

Lp.	Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	Woda po ozonowaniu w czasie tk = 60 min	Woda po czasie ozonowa­nia tk = 60 min i naświet­laniu UV w czasie
1	Dawka ozonu	mg/l	-
2	Dawka promieniowania	mJ/cm^2	-
3	Barwa	mg Pt/l
4	pH	-
5	Kwasy humusowe	mg/l
6	OWO	mg/l
7	Żelazo Fe(II)	mg/l
8	Żelazo ogólne	mg/l
9	Mangan	mg/l
10	Utlenialność	mg/l
11	^254	cm^-1

6.3. OPRACOWANIE WYNIKÓW I WNIOSKÓW

Sprawozdanie z badań powinno zawierać tabelaryczne i graficzne zestawienie wyników, na podstawie których należy: — ocenić jakość wody w odniesieniu do obowiązujących wymagań dla wody przeznaczonej do spożycia;

przedstawić graficznie wartości wybranych parametrów jakości wodv i ich stopnia zmniejszenia w procentach, w zależności od zm nnych parametrów prowadzenia procesu; zmiennych

inie włączvć lampę UV. wykonanych dla warun- onu D_n = 5, 10, 20, wynikającego z ozono- jmieniowania UV, nale- Izany będzie tylko ozon

przez złoża piaskowe 6.10.

; Woda po czasie ozonowa- i nia t_k = 60 min i naświet­laniu UV w czasie

LITERATURA

Biń A.; Wąsowski J.: Procesy zaawansowanego utleniania chemicznego w uzdatnianiu wód

podziemnych. HI Konf. Nauk.-Techn. „Uzdatnianie wód podziemnych — Badanie, projekto­wanie i eksploatacja". Warszawa 1999.

Kowal A., Świderska-Bróż M.: Oczyszczanie wody. Podstawy teoretyczne i technologiczne, procesy i urządzenia. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2007.

Nawrocki J., Biiozor S.: Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne, fizyczne i biologiczne. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2000.

Perchuć M., Jaroszewska M.: Badania skuteczności wybranych procesów technologicznych

w oczyszczaniu wody o dużej intensywności barwy. Ochrona Środowiska, 3, 2007, s. 29-33.

w układzie 0₃/UV

belaryczne i graficzne

y:

iujących wymagań dla

przeprowadzić dyskusję wyników'; sformułować wnioski.