WODA - jest związkiem chemicznym o charakterystycznych właściwościach. Woda przy zamarzaniu zwiększa swoją objętość, ale maksymalną gęstość ma dopiero w temperaturze -4^oC. Jest ona najlepszym rozpuszczalnikiem.

Jest zawsze rozcieńczonym roztworem soli, zasad, kwasów i gazów.

+ domieszki i zanieczyszczenia

Podział domieszek i zanieczyszczeń ze względu na ich stan skupienia:

Kryteria podziału	Elementy
ogólny	fizyczne, chemiczne, bakteriologiczne, radioaktywne
stan skupienia	gaz (CO2, O2, N2 ), ciecz (solanka, sól morska), ciało stałe (minerały)
pochodzenie	substancje organiczne i nieorganiczne
naturalność	naturalne i syntetyczne - nasz projekt
rozpuszczalność w wodzie	rozpuszczalność (zdysocjowane i niezdysocjowane) , nierozpuszczalne ( zawiesiny i koloidy)
działanie na organizmy	toksyczne (kancerogenne, teratogenne, mutacje nastepnych pokoleń)
trwałość	podatne na biodegradację i nie
obszar pochodzenia	punktowe (w jednym miejscu zrzut ścieków, obszar fabryki) i obszarowe (spływy z dróg po ziemie)

WODY PODZIEMNE I POWIERZCHNIOWE

Charakterystyka wód :

Wody podziemne - stały skład fiz- chemiczny, temperatura , przeważnie nie zawierają O ,zachodzą w nich procesy redukcyjne , występuje H2S, CO2 agresywny, duża zawartość żelaza i manganu, mniejsza liczba zanieczyszczeń, w głębszych warstwach są bardzo mineralizowane.

Wody powierzchniowe - zmienny skład fiz- chem. , temperatura waha sie od 0-25⁰C , natlenienie w granicach 100% nasycenia , częste przesycenie tlenem nasyconym , mało zróżnicowany stan mineralny , zależny od stanu zróżnicowania zlewni są dużo bardziej zanieczyszczone niż wody podziemne , zanieczyszczenia antropogeniczne , duża liczba glonów wpływa nie korzystnie na proces uzdatniania takiej wody (im starszy akwen tym jest bardziej zanieczyszczony) , w wodach stojących dużo częściej stwierdza się procesy eutrofizacji.

Cechy fizyczne wody : barwa , mętność , smak , zapach , temperatura ,

Skład wód podziemnych zależy od rodzaju i budowy skał, z którymi się kontaktują, stopnia ich zwietrzenia i uziarnienia, prędkości ruchu wody oraz stopnia kontaktu z wodami powierzchniowymi i opadowymi.

Procesy kształtujące skład wód podziemnych:

- Utlenianie i redukcja ( mają wpływ na zdolności migracyjne pierwiastków)

- Ługowanie i strącanie ( do wody mogą przechodzić różne jony )

- Hydratacja i hydroliza

- Wietrzenie

- Sorpcja (zależy od właściwości sorbentów: stopnia rozdrobnienia ,składu mineralnego frakcji iłowej zawartości substancji organicznej)

- Migracja

- Procesy biochemiczne

Do substancji występujących w wodach podziemnych należą:

tlen rozpuszczony, dwutlenek węgla, siarkowodór, azot, wodorowęglany i węglany, siarczany, chlorki, wapń, magnez, sód, potas, żelazo (Obecność żelaza w wodzie jest skutkiem wietrzenia zasadowych skał magmowych, osadowych a także utleniania i hydrolizy skał siarczkowych)

- mangan ( Jego źródła to: procesy wietrzenia i ługowania skał magmowych i osadowych.)

- związki azotu ( azot amonowy, azotanowy, azotynowy )

- zanieczyszczenia nieorganiczne ( metale ciężkie)

- zanieczyszczenia organiczne ( związki humusowe, produkty przemiany materii organizmów, związki pochodzące z rozkładu organizmów obumarłych )

UKŁADY TECHNOLOGICZNE UZDATNIANIA WÓD POWIERZCHNIOWYCH W ZALEŻNOŚCI OD ICH KLAS.

Rozporządzenia ministra środowiska 2002r. w prawie wymagań jakie powinny odpowiadać wody powierzchniowe.

• kategoria A1 - woda wymagająca prostego uzdatniania fizycznego (filtracja i dezynfekcja).

• kategoria A2 - typowe uzdatnianie fizyczne i chemiczne ( koagulacja, utlenialność wstępna, flokulacja, dekantacja).

• kategoria A3 - napowietrzanie ciśnieniowe ( filtracja I stopnia, filtracja II stopnia przez złoże katalityczne , dezynfekcja).

KLASYFIKACJA WÓD POWIERZCHNIOWYCH I PODZIEMNYCH.

Rozporządzenie ministra środowiska z dnia 11 lutego 2004r. w sprawie klasyfikacji wód podziemnych i powierzchniowych, sposobu prowadzenia monitoringu oraz sposobu interpretacji.

1. klasa I - wody o bardzo dobrej jakości (kat. A1) - wskaźniki jakości wody są kształtowane jedynie w efekcie naturalnych procesów.

2. klasa II - wody dobrej jakości (kat. A2) - wskaźniki nie przekraczają dopuszczalnego stężenie przeznaczonej do picia (oprócz żelaza i manganu bo jest go trochę więcej)

3. klasa III - wody zadowalającej jakości (kat. A2) - naturalne żelazo, mangan, przekroczone wskaźniki dopuszczalne w wodzie

4. klasa IV - wody niezadowalające (kat. A3) - przekroczone dużo bardziej dopuszczalne stężenia wskaźników w wodzie do picia

5. klasa V - wody złej jakości , nie nadające się do picia - metale ciężkie, niskie pH, świeży spływ, azot, nie spełnia wymagań wody do picia.

SKŁADNIKI WÓD NATURALNYCH.

• MIKROSKŁADNIKI > 10 mg/ dm³ - kationy (sód, potas, wapń, magnez), aniony (chlorki, wodorowęglany, siarczany), gazy (tlen, azot, dwutlenek węgla), inne (krzemionka).

• SKŁADNIKI PODRZĘDNE - kationy (żelazo, mangan, NH₄⁺, glin ), aniony (fluorki, bromki, jodki, bromiany), gazy (siarkowodór, amoniak, tlen), koloidy (wodorotlenki metali), zawiesiny (oleje, tłuszcze).

• MIKROSKŁADNIKI < 0,1 mg/dm³ - kationy (lit, bar, cynk), aniony (HS^-), zawiesiny (piaski, runo).

UZDATNIANIE WÓD PODZIEMNYCH.

* w układzie tym następuje obniżenie stężenia : żelaza, mętności, barwy.

1) NAPOWIETRZANIE - polega na mieszaniu wód podziemnych z powietrzem atmosferycznym.

• ciśnieniowe - w urządzeniach zamkniętych, przy wysokim pH i zasadowości.

W procesie tym poprzez wprowadzenie do wody tlenu rozpuszczonego stworzone zostaną warunki do hydrolizy i utleniania związków żelaza oraz manganu. Dodatkowo zapobiegniemy powstawaniu środowiska redukcyjnego, co zapewni nam lepszy smak i zapach wody.

• otwarte - wymiana gazów między powietrzem, a gazami z wody, przy niskim pH.

Jest to wymiana gazów między wodą a powietrzem.

+ O₂ Me(II) Me(II+x)

Fe i Mn

2) FILTRACJA - jest procesem zapewniającym usuwanie z oczyszczanej cieczy czastek o średnicy > 0,1
.Proces ten realizowany jest w urządzeniach nazywanych filtrami.

Może być realizowana jako:

• ciśnieniowa - w urządzeniach zamkniętych, do podziemnych.

• otwarte - na filtrach otwartych, do powietrza

3) DEZYNFEKCJA - polega na zastosowaniu środka za pomocą którego zabijemy jakieś mikroorganizmy.

• metoda chemiczna - dodajemy toksyczny środek chemiczny.

• metody fizyczne - promieniowanie ultrafioletowe.

* agresywny CO₂:

1. NAPOWIETRZANIE (zależy od zasadowości < 5mval/dm³)

2. CHEMICZNE WIAZANIE CO₂ (dodanie substancji reagującej na zasadowość NaOH, NaHCO₃ , Ca(OH)₂ )

3. FILTRACJA - PIASEK

4. DEZYNFEKCJA

lub

1. NAPOWIETRZANIE

2. FILTRACJA - PIASEK

3. FILTRACJA II st. - ZŁOŻE Z MASY ODKWASZAJĄCEJ

4. DEZYNFEKCJA

* mangan:

1. NAPOWIETRZANIE

2. CHEMICZNE WIĄZANIE CO₂

3. FILTRACJA - PIASEK

4. II st. FILTRACJI - złoże z masy wpracowanej
   

5. DEZYNFEKCJA

*substancje organiczne: utlenialność, ogólny węgiel organiczny, barwa.

1. NAPOWIETRZANIE

2. KOAGULACJA (gdy ChZT powyżej 5)

3. DEKANTACJA - np. SEDYMENTACJA

4. FILTRACJA

5. DEZYNFEKCJA

lub

1. NAPOWIETRZANIE

2. UTLENIALNOŚĆ WSTĘPNA (NaOH, H₂S, KMnO₄)

3. KOAGULACJA + SEDYMENTACJA

4. FILRACJA

5. DEZYNFEKCJA

lub

1. NAPOWIETRZANIE

2. ZAKWASZANIE pH do 2

3. DEKANTACJA

4. KOREKTA pH do pHs

5. FILTRACJA

6. DEZYNFEKCJA

* N_NH4

1. NAPOWIETRZANIE

2. FILTRACJA - filtry suche - złoże filtracyjne nie jest zatopione w wodzie

3. FILTRACJA - PIASEK

4. DEZYNFEKCJA

NAPOWIETRZANIE - ODKWASZANIE WODY.

Reakcje CO₂ z wodą:

• H₂O +O₂ H₂O +O₂ - nic się nie dzieje ~ 8-14 g/m³

• H₂O + CO₂ H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^- 2H⁺ + CO₃^2-

• Występowanie form CO₂ zależeć będzie od pH:

OH^-

---------------------------------------------------------------------------- pH

0 H⁺ H₂O 14

Im wyższe pH tym większy jest popyt na jony H⁺ . Przy niskim pH nie ma zdysocjowania.

1000-1500 g/m³ - tyle rzędów warstw wyższa jest rozpuszczalność.

Cele odkwaszania :

- usunięcie agresywnego dwutlenku węgla z wód podziemnych i infiltracyjnych

- jest pierwszym procesem w układnie technologicznym oczyszczania wód

- powstałego w wyniku koagulacji domieszek wód powierzchniowych

- przy zmiękczaniu i demineralizacji wód kotłowych

- po dekationizacji na kationitach wodorowych ( wymiana innych jonów na H⁺)

Zmiękczanie usunięcie twardości wody

Demineralizacja zbliżenie składu wody do wody destylowanej , by nie osadzał się kamień kotłowy w urządzeniach grzewczych.

Metody fizyczne:

Przejście dwutlenku węgla obecnego w wodzie do powietrza w wyniku kontaktu obu mediów w urządzeniach otwartych lub ciśnieniowych. Tlen oraz azot przechodzą z powietrza do wody , zaś dwutlenek węgla przechodzi z wody do powietrza.

Proces wymiany gazów opisywany jest prawem Henry'ego:

[mol gazu/ mol powietrza]

gdzie :

H_D - stała Henrego [Pa*dm³/mg] dla CO₂ H=6,17 * 10^-6 [Pa*dm³/mg]

c - stężenie gazu w wodzie [mg/dm³]

P_T - całkowite ciśnienie mieszaniny gazów [Pa]

• O skuteczności wymiany gazów decydują:

- temperatura

- zasolenie wody

- rodzaj i stężenie wymienianych gazów

- czas kontaktu wody z powietrzem

- wartość stałej Henry'ego

- pH wody

• Im większe są :

- wartość H dla danego gazu

-zasolenie

-temperatura

-stopień rozdeszczenia wody

- czas kontaktu

tym łatwiejsze jest usunięcie tego gazu z wody.

Wpływ pH na odkwaszanie:

W wypadku gazów reagujących z cząsteczkami wody (CO₂ i H₂S) stopień ich usuwania jest funkcją pH decydującego o formie ich występowania w wodzie.

Podczas napowietrzania z wody usuwana jest tylko ta część która występuje w postaci gazowej, zaś produkty dysocjacji (HS^-, S^2-…) pozostają w wodzie.

W związku z tym większą sprawność usuwania CO₂ i H₂S uzyskuje się przy mniejszych wartościach pH.

Wpływ zasadowości na odkwaszanie wody:

Zasadowość wody decyduje o stosowanym sposobie jej napowietrzania.

• zasadowość wody ≥ 5 val/m³ stosujemy nap. w urządzeniach ciśnieniowych

• zasadowość w zakresie 2-5 val/m³ napowietrzanie otwarte:

*4-5 val/m³ wytryski zwykłe, bądź nap. kaskadowe

*3-4 val/m³ dysze zderzeniowe

*2-3 val/m³ złoża ociekowe

* ≤ 2 val/m³ to po nap. otwartym należy stosować chemiczne wiązanie CO₂

Rodzaj napowietrzania	Obniżenie zawartości wolnego CO2 do gCO2 / m^3	Zasada równowagi węglanowo-wapniowej gCO2 / m^3
CIŚNIENIOWE	30-50	240-280
OTWARTE, WYTRYSKI	16-22	190-220
DYSZE MSTERDAMSKIE	8-12	150-180
ZŁOŻA OCIEKOWE	4-6	125-140
ZŁOŻA OCIEKOWE Z SZTUCZNYM C	2-3	100-115

Urządzenia do napowietrzania:

• AERATORY CIŚNIENIOWE (zasadowość wody ≥ 5 val/m³)

są to zbiorniki ciśnieniowe w których odkwaszana woda kontaktuje się z zassanym sprężonym

powietrzem.

ciśnienie powietrza musi być większe o 0,01 MPa od ciśnienia wody

zalecana prędkość przepływu 0,05 - 0,06 m/s

czas kontaktu od 30 do 180 s

• KORYTA Z OTWORAMI

woda wypływająca otworami w postaci cienkich strug kontaktuje się z powietrzem.

• ZŁOŻA OCIEKOWE

dzielimy je na jedno- i wielowarstwowe, lub z naturalnym bądź sztucznym przepływem powietrza

woda rozdeszczona jest nad złożem, następnie przepływając przez wypełnienie złoża kontaktuje się z powietrzem.

wysokość złóż od 1-4m

• DYSZE ZDERZENIOWE

efekt odkwaszania do 80%

zapewniają dobry rozbryzg wody

Metody chemiczne:

Polega ona na dodawaniu reagentów do wody. Stosujemy ją gdy skuteczność metod fizycznych jest niewystarczająca, lub gdy woda zawiera niewielkie ilość agresywnego CO₂.

Stosowane reagenty:

• WAPNO PALONE lub HYDRATYZOWANE -

CaO + H₂O + 2CO₂ < Ca(HCO₃)₂

Wapno do wody może być dawkowane w postaci mleka wapiennego lub wody wapiennej.

• SODA KALCYNOWANA (Na₂CO₃) -

Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O > 2NaHCO₃

• WODOROTLENEK SODU (NaOH) -

NaOH + CO₂ > NaHCO₃

Musi być dawkowane do wody przed filtrami.

• MASA DOFILTR -

MgO + 2CO₂ +H₂O Mg(HCO₃)₂

CaCO₃ + CO₂ +H₂O Ca(HCO₃)₂

Otrzymywana w procesie częściowej dekarbonizacji dolomitu w odpowiedniej temperaturze.

Czas kontaktu wody z masą dofiltr wpływa na przyrost twardości ogólnej wody, który maleje wraz z rosnącą prędkością filtracji, a więc ze zmniejszającym się czasem kontaktu.

W czasie eksploatacji masy dofiltr złoże filtracyjne musi być uzupełniane.

ODŻELAZIANIE I ODMANGANIANIE WODY.

Usuwanie żelaza z wody

Istota odżelaziania wody polega na utlenianiu jonów Fe(II) do Fe(III) i usuwanie wytrąconych związków Fe(OH)₃ z oczyszczonej wody w procesie sedymentacji i filtracji. Reakcje utlenianie jonów żelaza (II) opóźniają a niekiedy uniemożliwiają związki organiczne tworzące z żelazem (II) rozpuszczone kompleksy.

Formy występowania żelaza:

- Fe(HCO₃)₂ - stosuje się najprostszy układ uzdatniania wody : napowietrzanie - sedymentacja

przy znacznych ilosciach Fe(OH)₃ - odżelazianie (filtracja pospieszna) - dezynfekcja

- FeSO₄ - do powyższego układu włączony jest proces alkalizacji

- żelazo może występować również w związkach organicznych - wtedy powyższe procesy są nieskuteczne. Wymagany jest najczęściej proces koagulacji.

Najprościej jest, gdy Fe²⁺ i Mn²⁺ tworzy połączenia z

a) Fe²⁺ Mn²⁺

sole Fe(HCO₃)₂ , Mn(HCO₃)₂

HCO₃^-

b) Fe²⁺ Mn²⁺

sole FeSO₄ , MnSO₄

SO₄^2-

c) Fe²⁺ Mn²⁺

sole Fe(NO₃)₂, Mn(NO₃)₂

NO₃^-

Rodzaj form w jakich żelazo i mangan występują w wodach nie zawierających ligandów organicznych zależą od:

- wartości potencjału oksydacyjno -redukcyjnego Eh

- pH

- temperatury

- zawartości substancji rozpuszczonych w wodzie

Chemizm usuwania żelaza (procesy jednostkowe)

• Hydroliza związków żelaza:

Fe(HCO₃)₂ + 2H₂O <->Fe(OH)₂ + 2H₂CO₃

FeSO₄ + 2H₂O <-> Fe (OH)₂ + H₂SO₄

• Utlenianie jonów FeII do FeIII:

4Fe⁺² + O₂ + 10 H₂O <-> 4Fe(OH)₃ + 8H⁺

Szybkość reakcji wzrasta im więcej tlenu w wodzie.

• Wytwarzanie i aglomeracja koloidalnych cząstek Fe(OH)2 - flokulacja

• Usunięcie wytrąconego wodorotlenku żelazowego.

Usuwanie manganu:

Istota odmanganiania polega na utlenianiu jonów MnII do Mn IV i wytraceniu ich w

postaci MnO₂ * x H₂O

KMnO₄ - silny utleniacz redukuje się do +2 lub +4.

Najpierw zachodzi hydroliza połączeń manganu a następnie proces utleniania. Mangan nie tworzy połączeń z związkami organicznymi.

Do utlenienia manganu możemy zastosować chlor, ozon, KMnO4.

Mn⁺² + KMnO4 ,-. MnO2 + K⁺ + H2O

Inne metody usuwania manganu:

• utlenianie w warstwie wodonośnej

• wymiana jonowa

• sorpcja jonów Mn II na wodorotlenku żelazowym

• filtracja przez złoże z minerałów manganowych

Wpływ pH wody na odżelazianie i odmanganianie:

Filtry do usuwania żelaza i manganu:

Prędkość filtracji:

gdzie:

v - prędkość filtracji

pH - pH roztworu wodnego

dw - wew. średnica ziaren

Fe0 - stężenie żelaza w wodzie dopływającej do filtra

Fek - stężenie żelaza w odpływie z filtrów

T - temperatura wody

L - wydajność warstwy filtracyjnej

Powszechne zastosowanie mają filtry grawitacyjne lub ciśnieniowe ze złożem filtracyjnym wpracowanym , czyli takie którego ziarna pokryte są tlenkami manganu lub żelaza.

Formy żelaza w wodzie:

żelazo całkowite

żelazo II żelazo III

wodne skompleksowane wodne

osad rozpuszczone kompleksy nieorg. komp. org. FeOH3 i

inne osady

FILTRACJA

Filtracja jest procesem zapewniającym usuwanie z oczyszczanej cieczy cząstek o średnicy > 0,1
.Proces ten realizowany jest w urządzeniach nazywanych filtrami.

Podział filtrów:

Ze względu na warunki pracy oraz rodzaj złóż filtracyjnych filtry można podzielić na:

• Ze względu na rodzaj przepływu:

• Grawitacyjne ( otwarte zwierciadło wody )

• Ciśnieniowe ( woda napływa i odpływa pod ciśnieniem )

• Ze względu na szybkość filtracji:

• Powolne ( 5-20cm/h)

• Pospieszne ( 5-15m/h)

• Superpospieszne ( powyżej 25m/h)

• Ze względu na sposób wymuszania przepływu:

• Otwarte ( grawitacyjne )

• Zamknięte ( ciśnieniowe )

• Ze względu na ilość warstw:

• Jednowarstwowe

• Wielowarstwowe

• Ze względu na rodzaj procesu:

• Do mechanicznego cedzenia zawiesin

• Kontaktowe

• Katalityczne

• Biologicznie aktywne

• Sorpcyjne

• Chemicznie aktywne

• Jonowymienne

Mechanizm filtracji

Podczas filtracji woda przepływa w określonym kierunku i z odpowiednią prędkością przez złoże filtracyjne, które stanowi materiał porowaty. Podczas przepływu wody przez złoże filtracyjne o nieregularnych kształtach usuwane są cząstki o znacznie mniejszych wymiarach niż pory.

Materiał filtracyjny-rodzaje złóż filtracyjnych:

Najczęściej stosowanymi materiałami filtracyjnymi są;

• piasek kwarcowy

• węgiel antracytowy

• granulowany węgiel aktywny

• granit

• tworzywa sztuczne o gęstości mniejszej niż gęstość wody

Do odkwaszania wody: grys marmurowy, prażony dolomit.

Materiał filtracyjny spełnia swoje zadanie gdy charakteryzuje się:

• właściwym uziarnieniem - uziarnienie kolejnej warstwy powinno być 2 krotnie większe niż warstwy drobniejszej

• porowatością - określa pojemność złoża,

• gęstością

• wytrzymałością mech. na kruszenie i ścieranie

• przydatność materiału ocenia się na podstawie średnicy czynnej d10 i współczynnika równomierności złoża WR = d60/d10

Procesy fizyczne zachodzące w złożu filtracyjnym (mechanizm):

• CEDZENIE - zatrzymywane są cząsteczki o wymiarach większych od średnicy porów

• SEDYMENTACJA - usuwanie cząsteczek o wymiarach 2 - 10 μm i gęstości > albo = gęstości wody.

DYFUZJA - zatrzymywanie w złoży cząsteczek o średnicy <1 μm. Decydują o tym siły lepkości.

• WYCHWYTYWANIE - przyciąganie cząstek zawiesiny przez siły elektrokinetyczne występujące na powierzchni ziaren.

• ODRYWANIE cząsteczek osadu zatrzymanego w porach złoża przez siły wywołane przepływem wody

• FLOKULACJA ORTOKINETYCZNE - prowadzi do agregacji cząsteczek w porach złoża

Procesy chemiczne zachodzące w złożu filtracyjnym:

• filtracja przez złoże nieaktywne chemicznie

• filtracja przez złoże aktywne chemicznie

Prędkość filtracji:

Jest równa ilorazowi objętości przepływającej wody w czasie do całkowitego przekroju złoża filtracyjnego.

gdzie:

H - straty ciśnienia

L -głębokość złoża

Długość cyklu filtracji:

To czas pracy złoża filtracyjnego między kolejnym jego płukaniem. Zależy on przede wszystkim od parametrów złoża, prędkości filtracji i poziomu zanieczyszczenia wody dopływającej do filtra. Przyjmuje się że przeciętna długość filtracji wynosi 24 godziny. Koniec cyklu filtracji to osiągnięcie dopuszczalnej straty ciśnienia lub pogorszenia się jakości filtratu.

Płukanie złóż filtracyjnych:

Złoża filtrów pośpiesznych mogą być płukanie wodą lub wodą i powietrzem. Czynniki płuczące podczas płukania przepływają od dołu do góry złoża filtracyjnego wypłukując zatrzymane w złożu zanieczyszczenia. Intensywność płukania wodą zależy od porowatości, gęstości i uziarnienia. Istotnym parametrem jest także czas płukania. Intensywność powinna być tak dobrana, aby ekspansja wahała się w granicach 1,3-1,5 m. Ważnym parametrem jest także temperatura - im wyższa tym tym wyższa intensywność płukania.

(dmax - max. średnica ziaren mat. filtr., u - lepkość wody, k-współczynnik zależny od śred. ziaren)

Drenaż filtrów:

Zadaniem układu drenażowego jest równomierne rozprowadzenie czynników płuczących złoże filtracyjne. W filtrach pospiesznych stosuje się

- drenaże niskooporowe - należą do nich drenaże kulowe, belkowe, płytowe

- wysokooporowe - rurowy z otworami nawierconymi w rurach lub z wkręconymi dyszami.

Koryta popłuczyn:

Zadaniem ich jest równomierny rozdział dopływającej do filtru wody na całą powierzchnie złoża bez rozmywania górnej warstwy materiału.

Straty ciśnienia filtracyjnego:

Zależy od:

- porowatości złoża - im większa porowatość tym straty mniejsze

- rozkładu uziarnienia

- prędkość filtracji

- wysokość i czas pracy złoża

Filtry powolne:

• są również nazywane filtrami biologicznymi

• mała prędkość filtracji wody, która najczęściej wynosi ok. 0,1 m/h, (a wyjątkowo przy skutecznym oczyszczaniu wody może być większa niż 0,3)

• stosowanie tak małych prędkości filtracji powoduje iż cykle filtracji są długie i w zależności od poziomu zanieczyszczeń wody mogą wynosić od 1 do 6 miesięcy.

• oprócz długiej skuteczności usuwania bakterii, zapewnia ok. 95% zmniejszenia mętności i ok. 60% utlenialności.

• materiałem porowatym stanowiącym złoże filtracyjne jest piasek kwarcowy, którego warstwa ma wysokość najczęściej około 1,0m

Filtry pośpieszne:

• duża wydajność, niższe koszty inwestycji, łatwiejsze oczyszczanie złóż filtracyjnych - płukanie.

• konwencjonalne filtry pośpieszne vf = 5-25 m/h, zaś super pospieszne >25 m/h.

• są stosowane najczęściej do oczyszczania wody wstępnie oczyszczonej metodami fizycznymi i chemicznymi.

• może być stosowana do: zatrzymania obecnych w wodzie zawiesin, usuwanie z wody związków żelaza i manganu

• utlenianie azotu amonowego

• mogą również zachodzić procesy biologiczne: nitryfikacja, biodegradacja

zanieczyszczeń org. , biologiczne utlenianie jonów Fe(II) i Mn(II)

• złoże filtrów stanowi ziarnisty materiał filtracyjny.

GF - grzybki filtracyjne umieszczone na płycie drenażowej

WP - warstwa podtrzymująca

WF - warstwa filtracyjna

WZ - właz zasypowy

nr zasuwy stan	1	2	3	4	5
filtracja	0	x	x	0	x
płukanie	x	0	x	x	0
spust I filtratu	0	x	0	x	x

0 - otwarty

x - zamknięty

FLOTACJA.

Cel flotacji:

Celem flotacji jest rozdział fazy stałej(cząstek zawieszonych) od fazy ciekłej (wody). Flotacja może być stosowana zamiast sedymentacji, a ma to miejsce wówczas, gdy usuwane cząstki stałe mają gęstość mniejszą od wody, lub gdy różnica gęstości zawiesin i wody jest niewielka.

Flotację przeprowadzamy w zbiornikach saturacyjnych lub komorach flotacji.

Flotacja gazowa:

Składa się z 3 zasadniczych faz:

• wytworzenie pęcherzyków gazu w objętości oczyszczanej wody

• aglomeracja cząstek stałych z pęcherzykami gazu

• separacja powstałych aglomeratów

Podział ze względu na sposób wytworzenia pęcherzyków gazu:

1. flotacja ciśnieniowa

• napowietrzanie wody, obniżenie ciśnienia poniżej atmosferycznego, wydzielenie pęcherzyków.

• podwyższenie ciśnienia, rozprężenie układu z wydzieleniem pęcherzyków.

2. flotacja bezciśnieniowa

• wprowadzenie pęcherzyków powietrza bez korekty ciśnienia

• mikroflotacja - powietrze rozpuszczane przy przepływie przez 10m kolumną z góry na dół pod ciśnieniem hydrostatycznym

3. elektroflotacja pęcherzyki wytwarzane w wyniku elektrolizy wody (stosowan w oczyszczaniu ścieków)

Flotacja ciśnieniowa:

• ilość powietrza wydzielonego z wody w czasie rozprężania układu do ciśnienia atmosferycznego:

gdzie:

f - współczynnik nasycenia wody tlenem

Pa - ciśnienia absolutne układu sprężonego

• minimalna ilość powietrza umożliwiająca flotację:

gdzie:

- gęstość wody

- gęstość pęcherzyków powietrza

- gęstość zawiesin w stanie suchym

Komory flotacji:

Proces flotacji realizowany jest w komorach flotacji. W małych zakładach uzdatniania wody można stosować komory o przekroju kołowym, ale coraz częściej stosowane są komory o przekroju prostokątnym. o wymiarach komory flotacji decydują wartość obciążenia hydraulicznego oraz czas przetrzymania wody w komorze.

Maksymalna grubość flotatu = 1cm

Zbiornik saturacyjny:

Ciśnienie w zbiorniku saturacyjnym zależy od przyjętego sposobu flotacji, proces można prowadzić w układach:

• bez recyrkulacji wody

1. powetrze

2. pompa

3. ciśnieniowy zbiornik saturacyjny

4. zawór redukcyjny

5. komora flotacji

6. dopływ wody surowej

7. odpływ wody po flotacji

• z recyrkulacją wody

• z częściowym napowietrzeniem

KOAGULACJA

Cel koagulacji:

Koagulacja jest procesem powszechnie stosowanym w oczyszczaniu większości wód powierzchniowych, rzadziej infiltracyjnych i podziemnych.

Jest to metoda oczyszczania wód zawierających koloidy oraz zawiesiny trudno opadające.

Istotą procesu jest zmniejszenie stopnia dyspersji układu koloidalnego w wyniku łączenia się pojedynczych cząstek fazy rozproszonej w większe skupiska, które następnie mogą być skutecznie usuwane z wody w procesach sedymentacji, flotacji, i filtracji.

W wyniku koagulacji usuwane są z wody cząstki trudno opadające oraz koloidalne decydujące o mętności wody lub intensywności jej barwy.

Podział koloidów:

koloidy dzielimy na:

• hydrofobowe powodują mętność, są to cząstki zawiesin nieorganicznych i bezwodne tlenki metali, (glin, krzemionka koloidalna, iły)

• hydrofilowe decydujące o intensywności barwy, cząstki organiczne zawieszone, żywe i martwe mikroorganizmy oraz uwodnione tlenki metali(związki humusowe)

• koloidy obce skrobia, białka, celuloza, barwniki organiczne, trafiają do wód np. ze ścieków.

Proces koagulacji:

Koagulacja zachodzi w 2 fazach:

• w pierwszej, występującej bezpośrednio po dodaniu koagulanta, a trwającej sekundy przebiegają reakcje chemiczne i fizyczne prowadzące do destabilizacji cząstek koloidalnych.

• podczas 2 fazy (trwającej znacznie dłużej), zwanej flokulacją, w wyniku transportu i zderzeń cząstek destabilizowanych powstają kłaczki, które mogą być skutecznie usuwane z wody w procesach sedymentacji, flotacji i filtracji.

Budowa cząstki koloidalnej:

Wpływ zasadowości na przebieg koagulacji:

z_min = 0,009 D + 0,7 < Z

gdzie:

0,009D - zużycie zasadowości przez koagulant

Wraz ze wzrostem dawki koagulantu zasadowość maleje.

Chemizm koagulacji:

• reakcje z siarczanem glinu(żelaza):

Al₂(SO₄)₃ 2Al³⁺ + 3SO₄^2- (dysocjacja)

2Al³⁺ + 2H₂O < 2Al(OH)²⁺ +2H⁺ (I stopień hydrolizy)

2Al(OH)²⁺ + 2H₂O < 2Al(OH)₂⁺ +2H⁺ (II stopień hydrolizy)

2Al(OH)₂⁺ + 2H₂O < 2Al(OH)₃ +2H⁺ (III stopień hydrolizy)

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O < 2Al(OH)₃ +6H⁺ + 3SO₄^2-

• Chlorek żelazowy:

FeCl₃ +3H₂O Fe(OH)₃ + 3H⁺ + 3Cl^-

Fe(OH)₃ i Al(OH)₃ wytrącają się w postaci kłaczków.

Rodzaje koagulacji:

Koagulację można spowodować przez :

- dodanie koloidu o znaku przeciwnym do znaku koloidów obecnych w wodzie

- dodanie elektrolitu

- działanie promieniami β i γ

- ogrzewanie

- działanie mechaniczne

- dehydratację

- wymrażanie

Dawki koagulantówi:

Dawki powinny być wyznaczone dla każdego przypadku doświadczalnie. Orientacyjną wielkość dawek technicznego uwodnionego siarczanu glinowego możemy wyznaczyć ze wzorów:

D=(6-8) √B

D=7√M

Modele koagulacji:

Sposoby realizacji koagulacji:

• OBJĘTOŚCIOWA - w układzie technologicznym mamy do czynienia z komorami szybkiego i wolnego mieszania.

• KONTAKTOWA - prowadzona jest w osadnikach kontaktowych. Wykorzystuje się w tym procesie działanie katalizujące i sorpcyjne, można zmniejszyć wymaganą dawkę koagulanta.

Woda z koagulantem przepływa z dołu do góry.

• POWIERZCHNIOWA - zachodzi na powierzchni złoża filtracyjnego

Koagulanty i ich dawki:

Wybór koagulanta:

• cena

• dostępność na rynku

• przydatność

• pewność tworzenia trwałych, trudno rozpuszczalnych kłaczków

• trwałość chemiczna roztworów

Do koagulantów najczęściej stosowanych należą sole żelaza i glinu tworzące w wyniku hydrolizy dodatnio naładowane hydroksykompleksy skutecznie destabilizujące zanieczyszczenia:

• siarczan glinowy Al₂(SO₄)₃ x 18H₂O

• siarczan glinowo - potasowy Al₂(SO₄)₃ x K₂SO₄ x 24H₂O

• siarczan żelazowy Fe₂(SO₄)₃ x 9H₂O

• siarczan żelazawy FeSO₄ x 7H₂O

• glinian sodowy Na₂Al₂O₄

Substancje wspomagające koagulację:

Celem stosowania ich jest przyspieszenie powstawania kłaczków i ich sedymentacji:

• ziemia Fullera

• pył granitowy

• anhydrytowy

SEDYMENTACJA

Jest jednym z podstawowych procesów wykorzystywanych w oczyszczaniu wody, do usuwania z niej cząstek o gęstości większej od gęstości wody, a więc cząstek opadających.

1.Podział cząstek

-ziarniste - są to cząstki, które w trakcie sedymentacji nie będą zmieniały masy ani objętości np. żwirek, piasek;

-kłaczkowate - w trakcie sedymentacji będą się łączyć oraz zmieniać objętość i kształt;

2.Opadanie cząstek

-swobodne - zachodzi przy małej liczbie cząstek, zazwyczaj w przypadku cząstek ziarnistych;

-skupione - cząstki oddziałują na siebie, tworzą aglomeraty;

-zakłócone - podczas którego wiry powstające przy opadaniu cząstek większych powodują wypieranie cząstek drobniejszych ku górze, zmieniając tym samym, prędkość opadania;

OSADNIKI KONTAKTOWE AKCELATORY

Osadniki - są to urządzenia, w których zachodzi proces usuwania zawiesin z oczyszczanej

wody. Służą do zatrzymywania zawiesin łatwo opadających, naturalnych lub wytworzonych w procesie koagulacji i chemicznego strącania związków trudno-rozpuszczalnych.

Podział osadników za względu na kierunek przepływu wody:

• o przepływie poziomym

• pionowym

• poziomo-pionowym

• odśrodkowe

• wielostrumieniowe

• inne: osadniki kontaktowe z warstwą osadu zawieszonego lub z osadem zawracanym

Osadniki poziome

W osadnikach o przepływie poziomym unoszenie cząstek stałych zależne jest od prędkości przepływu wody w osadniku i prędkości opadania.

Zbiorniki żelbetowe, zakopane w ziemi, o długości kilkudziesięciu metrów, wysokości 2-3 m.

- sprawność osadnika:

α=1 - osadnik idealny

α=3 - osadnik poziomy

α>1 - osadnik rzeczywisty

vo - prędkość sedymentacji cząstki

vp - prędkość przepływu wody

Głębokość osadnika przy usuwaniu:

-ręcznym 3-3,5m;

-mechanicznym 2-3m;

Osadniki pionowe

Budowane są najczęściej jako urządzenia o przekroju kołowym i stosowane zazwyczaj do oczyszczania małej ilości wody. W tych osadnikach woda doprowadzana jest do rury centralnej lub do komory reakcji, skąd wypływa do komory klarowania lub warstwy osadu zawieszonego.

-prędkość pionowego przepływu wody

;

-powierzchnia strefy klarowania

- objętość osadnika

-średnica klarownika Φ≤10m

-czas przetrzymania wody w osadniku 1,5-2h;

-spust osadu z leja osadowego co ok. 8h;

Osadniki poziomo-pionowe

Są to najczęściej osadniki powstałe w wyniku przebudowy starych głębokich osadników o przepływie poziomym, które podzielono na segmenty za pomocą przegród. Osadniki tego typu są dość głębokie.

W przedniej części znajduje się lej do którego zgarniany jest osad.

UTLENIANIE CHEMICZNE

Cel:

Celem jest:

• zabezpieczenie sieci wodociągowej przed wtórnym skażeniem

Silne utleniacze:

Utleniacz oddaje elektrony (redukuje). Reduktorem w wodzie są Fe²⁺ , Mn²⁺ , wiązki organiczne ^-4 .

• nadmanganian potasu

• podchloryn sodu NaClO

• dwutlenek chloru

• chlor Cl₂

Związki chloru:

• Zastosowanie: utlenianie, dezynfekcja

Niszczenie zoo- i fitoplanktonu, wspomaganie flokulacji, usuwanie amoniaku poprzez chlorowanie punktu przełamania, w niektórych przypadkach usuwanie z wody smaku i zapachu.

• Wady: powstanie UPU np. THM, kwasy halogenooctowe, podwyższenie aktywności mutagennej wody.

Chlor:

• cięższy od powietrza 2,5 raza

• żółtozielony gaz o charakterystycznym zapachu

• temp. wrzenia - 34 ^oC

• wyczuwalny w powietrzu przy stężeniu 0,01 g/m³

• wywołuje śmierć człowieka - 2,9 g/m³

• rozpuszczalność w wodzie od 14,6 g/m³ przy temp. 0^oC , 4,6 g/m³ przy temp. 40^oC

Działanie chloru w wodzie:

• chlor redukuje się do chlorków

• po przereagowaniu z organicznymi substancjami obecnymi w wodzie powstają uboczne produkty utleniania UPU

• część chloru zostaje zużyta na utlenianie bromków

• pozostała część chloru chlor ogólny pozostały: chlor wolny, chlor związany działanie dezynfekcyjne

Reakcje chemiczne chloru:

• z wodą:

pH>2 Cl₂+H₂O H⁺ + HClO + Cl^-

PH>7,5 HClO H⁺ + ClO^-

HClO + H⁺ H₂ClO^-

2HClO Cl₂O + H₂O

Cl₂ + Cl^- Cl₂^-

• ze związkami azotowymi:

-kwas podchlorawy reaguje ze związkami azotowymi i wynik reakcji zależy od pH i wzajemnego stosunku reagentów:

ph 7,5-8,5 NH₃+HClONH₂Cl+ H₂O

pH 5,0-6,5 NH₂Cl+ HClONHCl₂+ H₂O

pH <4,4 NHCl₂+ HClONCl₃+ H₂O

przy Cl : N >4,4 4NH₂Cl+3Cl₂+ H₂ON₂+N₂O+10HCl

całkowite usuniecie azotu amonowego przy Cl : N >7,6

• z azotem organicznym:

-z kwasem aminooctowym

NH₂CH₂COOH+Cl₂ NHClCH₂COOH+HCl

NHClCH₂COOH+ Cl₂NCl₂CH₂COOH+HCl

-z mocznikiem

NH₂—CO----NH₂+HClONHCl---CO---NHCl lub

NH₂—CO----NH₂+2HClONH₂Cl+CO₂+H₂O

• z bromkami Br^-:

Chlor utlenia bromki do-

- kwasu podbromowego: HClO + Br HBrO + Cl

- jonu podbrominowego: ClO + Br BrO + Cl

Szybkość reakcji maleje ze wzrostem pH.

Podchloryn sodu NaClO:

• w temperaturze pokojowej ciało stałe o barwie bladożółtej.

Krzywa zapotrzebowania na chlor:

Uboczne produkty utleniania(chlorowania):

• związki powstające w wyniku reakcji chloru z sub. org. zawartymi w wodzie o charakterze toksycznym, kancerogennym(rakotwórczy) lub mutogennym.

• powstają w niewielkich stężeniach i są szkodliwe dla człowieka

• nielotne związki halogenoorganiczne NVOX

• lotne związki VOX

Najważniejsze grupy chlorowcopochodne UPU:

• trichalometany

• kwasy haloorganiczne

• aldehyd octowy, aldehyd mrówkowy

Mutogenność wody:

mutogenność zdolność związku do wywoływania mutacji

MX - związek odpowiedzialny za 30-70% mut. wody chlorowanej

DEZYNFEKCJA

Celem dezynfekcji

Jest usuwanie niebezpiecznych żywych i przetrwalnikowych form organizmów patogennych oraz zapobieganie ich wtórnemu rozwojowi w sieci wodociągowej.

Stosowanie dezynfekcji powoduje niszczenie organizmów patogennych powodując:

nieodwracalną destrukcję komórek, zakłócenie procesów metabolicznych, zakłócenie biosyntezy i wzrostu.

Metody dezynfekcji wody:

FIZYCZNE - gotowanie ,pasteryzacja, zastosowanie ultradźwięków , promieni ultrafioletowych , lub promieniowanie gamma.

GOTOWANIE - zapewnie odpowiednia temp. wody oraz czas jej ogrzewania w którym można uzyskać odkażenie wody przez niszczenie wszystkich form organizmów patogennych.

CHEMICZNE - Dezynfekcja wody metodami chemicznymi polega na dawkowaniu do niej silnych utleniaczy takich jak chlor ,podchloryn sodowy , dwutlenek chloru , chloraminy, ozon, brom.

Chlorowanie wody:

Wymaga wstępnego określenia dawki chloru i jego czasu kontaktu z wodą.

Zarówno czas kontaktu jak i wielkość dawki zależą od poziomu skażenia bakteriologicznego wody oraz jej składu fizyko-chemicznego.

Chlorowanie wody jest coraz częściej stosowane ze względu na fakt, iż reakcja azotu amonowego z chlorem jest konkurencyjna w stosunku do reakcji chloru ze związkami organicznymi.

Dechloracja wody:

Przy stosowaniu dużych dawek chloru i chlorowaniu do punktu przełamania w wodzie pozostaje nadmiar chloru, który powinien być z niej usunięty.

Można to uzyskać metodami chemicznymi, przez zastosowanie związków redukujących, takich jak siarczyn lub tiosiarczansodowy bądź dwutlenek siarki.

---