2010/2011

Ćwiczenie 1.

Sedymentacja i koagulacja

Cel:

• Oczyszczanie wody czyli uzdatnianie i

usuwanie zanieczyszczenia zawieszonego

w wodzie (wpływ na mętność i barwę

wody)

• Oczyszczanie ścieków od zawiesiny

Metody usuwania stałej zawiesiny

• Sedymentacja
• Koagulacja
• Flokulacja

SEDYMENTACJA

• Sedymentacja -zjawisko zagęszczania

zawiesiny pod wpływem działania pola

grawitacyjnego Ziemi

• Konieczne zaistnienie zjawiska – różnica pomiędzy gęstością ciała

stałego i cieczy

• Prawo Stokesa –prędkość swobodnego opadania cząstki w cieczy

vo:

V

o

= d

2

g (ρ - ρc)

18 ηc

• Gdzie:

• Vo – szybkośc opadania , m/s

• g- przyspieszenie grawitacyjne 9,80665 m/s

2

• ρ- gęstość masy ziarna, kg/m

3

• ρc- gęstość cieczy, kg/m

3

• η- lepkość dynamiczna cieczy , kg/m s

• d –średnica cząstki, m

Urządzenia przemysłowe-osadniki

Urządzenia przemysłowe –osadniki –

oczyszczalnie ścieków

Koagulacja-usuwanie zawiesiny cząstek

koloidalnych

Budowa cząstki koloidalnej

1- jądro
2-warstwa ładująca (+)
3-warstwa adsorpcyjna (-)
4-warstwa dyfuzyjna (+ -)

Pomiędzy warstwa adsorpcyjną i warstwą dyfuzyjna powstaje

Pomiędzy warstwa adsorpcyjną i warstwą dyfuzyjna powstaje

różnica potencjału elektrokinetycznego tzw.

różnica potencjału elektrokinetycznego tzw. potencjał zeta

potencjał zeta

-

-

ζ

ζ

,

,

który świadczy o stopniu trwałości koloidu

który świadczy o stopniu trwałości koloidu

Potencjał elektrokinetyczny
zeta

Związki koloidalne

• Związki koloidalne charakteryzują się

stabilnością. Siłami stabilizującymi są
przeważnie siły elektrostatycznego
odpychania się cząstek koloidowych,
jednoimiennie naładowanych.

+

+

Szybkość procesu koagulacji

Szybkoś
ć
koagulac
ji

Stężenie
koagulantu

1

2

3

ξ ± 30
mV

ξ= 0 mV,
punkt
izoelektry
czny

Optymalna
dawka

Oznaczenia:

Oznaczenia:

1-próg koagulacji,

1-próg koagulacji,

2-koagulacja

2-koagulacja

powolna,

powolna,

3-koagulacja

3-koagulacja

szybka

szybka

ξ- potencjał

ξ- potencjał

elektrokinetyczny-

elektrokinetyczny-

potencjał zeta

potencjał zeta

Szybkość procesu koagulacji

• W punkcie izoelektrycznym -

potencjał zeta ζ = 0, występuje

koagulacja szybka

• Po zlikwidowaniu potencjału

rozpoczyna się proces szybkiego
łączenia cząstek w wyniku którego
powstaje widoczny osad w postaci
kłaczków (żel)

Proces koagulacji

stabilne koloidy niestabilne mikrokłaczki

aglomeraty

stan

ustalony

Destabilizacja

transport i aglomeracja

częściowa deaglomeracja

koagulant

Zasady teoretyczne procesu

• Koloidy są to substancje stałe,

rozdrobnione, których średnica cząstek

wynosi 10

-9

do 2•10

-7

m.

• Cząstki rozproszone < od 10

-9

m tworzą z

wodą roztwór właściwy i nie są

identyfikowalne metodami optycznymi

• Cząstki > 2.10

-7

m tworzą zawiesinę, która

jest dostrzegana gołym okiem.

• Związki koloidalne nadają wodom

naturalnym barwę i mętność i nie dają się

usunąć za pomocą metod mechanicznych

Koagulacja i jej przebieg

• I faza → dodatek koagulanta

→

destabilizacja

cząstek koloidalnych (kilka

sekund, intensywne mieszanie)

• II faza→

flokulacja

– dodatek flokulanta -

transport i zderzenia cząstek

zdestabilizowanych i powstanie

kłaczków→

sedymentacja

→ filtracja (1-24

godzin, powolne mieszanie)

Koagulanty

• Koagulant substancja o przeciwnym

ładunku do koloidu w oczyszczanym
roztworze

• działanie promieni BETA I GAMMA
• ogrzewanie
• działanie mechaniczne np. wytrząsanie

Koagulanty

• Koagulantami nazywamy związki chemiczne, które w

wodzie ulegają hydrolizie tworząc nierozpuszczalne

wodorotlenki i wolny kwas. Najczęściej stosujemy:

• Fe

2

(SO

4

)

3

– siarczan żelaza (III)

• Al

2

SO

4

)

3

x 18 H

2

O – siarczan glinowy

• NaAlO

2

– glinian sodowy

• FeCl

3

- chlorek żelaza (III)

• FeSO

4

. 7 H

2

O [Fe

2

SO

4

)

3

+ FeCl

3

] – chlorowany siarczan

żelazowy

• Ilość koagulantu powinna być

dawka optymalną

tj.

najmniejszą ilością koagulantu dająca najlepsze wyniki.

Działanie koagulantów

• Koagulanty w wodzie ulegają hydrolizie i powstający

wodorotlenek żelaza (III) ma działanie koagulujące:

Fe

2

(SO

4

)

3

+ 6 H

2

O ↔ 2Fe(OH)

3

+ H

2

SO

4

• Kwas H

2

SO

4

musi być usuwany z wody za pomocą np.

wodorowęglanu sodu NaHCO

3

.

H

+

+ HCO

3 -

→H

2

CO

3

→ H

2

O + CO

2

• W wodzie wzrasta stężenie wolnego CO

2

, co prowadzi do

agresywności kwasowęglowej wody . Usuwamy go z

wody za pomocą wapna - alkalizacja wody

:

2CO

2

agresywne + Ca(OH)

2

→ Ca (HCO

3

)

2

Flokulacja

Flokulacja - proces nagromadzania

koloidalnych cząsteczek przez dodatek
flokulantów, przyspieszających
sedymentację (osiadanie) cząstek
zawiesiny w wodzie

Flokulanty - pochodzenie

1. Flokulanty mineralne, których działanie polega

na adsorpcji lub neutralizacji ładunków ciał

będących w zawiesinie:

•

Krzemionka aktywowana

•

Aktywowane gliny, bentonity

2. Flokulanty organiczne- polimery rozpuszczalne

w wodzie posiadające ładunek dodatni, ujemny

lub zerowy

•

Skrobia kartoflana i kukurydziana

•

Alginaty otrzymywane z alg morskich

•

żelatyna, skrobia, pochodne celulozy

Flokulanty syntetyczne organiczne - Separan

•

Poliakrylamidy o charakterze niejonowym–
„mostkowanie” z cząsteczkami koloidalnymi poprzez
wiązania Van der Waalsa

CH

2

- CH - CH

2

- CH - CH

2

CO CO

NH

2

NH

2

Flokulanty organiczne - polielektrolity

•

związki jonowe (polielektrolity) -zobojętniają
ładunki elektryczne którymi obdarzone są cząstki
koloidalne i przyspieszają koagulację.Dodatek
koagulanta jest niewielki rzędu mg/dm

3

•

Flokulant anionowy będzie reagował z zawiesiną w
której cząsteczki zawieszone są elektrododatnie
(potencjał zeta dodatni): wodorotlenki metali, sole;

•

Flokulant kationowy będzie reagował z zawiesiną o
cząsteczkach elektroujemnych(potencjał zeta
ujemny): krzemiany, związki organiczne.

Mechanizm flokulacji

mechaniczn
y

elektrostatycz
ny

Osad
zawiesiny

Osad
zawiesiny

Ćwiczenie 2

Analiza granulometryczna

gleby

Gleba

–

naturalny

produkt

powierzchniowej warstwy Ziemi,
wytworzony ze zwietrzałej skały w
wyniku

współdziałania

wody

powietrza i żywych organizmów.

Gleba

Funkcje ekologiczne gleby:
1. Gleba jest naturalnym zbiornikiem

zasobów wodnych

2. Gleba stanowi ogniwo w procesie

odnawiania i uzdatniania wody

3. Gleba to miejsce usuwania i

unieszkodliwiania różnych związków
organicznych

Podstawowe składniki

gleby

• Dobrze wykształcona gleba zawiera:

•

części mineralne - 45 %

•

woda -

25 %

•

powietrze - 25 %

•

części organiczne- 5 %,

• ( próchnica glebowa czyli humus)

• Poszczególne gleby różnią się składem od podanego

optymalnego. Gleby torfowe zawierają w przeważającej części

materię organiczną i wodę w odróżnieniu od gleb piaszczystych.

• Ponadto nieodzownym elementem gleb są niezliczone ilości

mikroorganizmów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego

określane jako edafon.

Gleba

• Podstawą tworzenia gleby jest gruz skalny - regolit, na

którym rozwijają się porosty, glony i inne mikroorganizmy,

które są pionierami przy tworzeniu gleby

• Obumarłe organizmy i roślin stanowią substrat z którego

powstaje próchnica.

• Próchnica pod względem struktury należy do ciał

koloidalnych, do których należą także minerały ilaste, np.

kaolinit i montmorylonit.

• Minerały ilaste

Al

2

O

3

SiO

2

2H

2

O

kaolinit

Al

2

O

3

7SiO

2

H

2

O

montmorylonit

Znaczenie minerałów ilastych w

glebie czyli koloidów glebowych

• duża powierzchnia wewnętrzna i

zewnętrzna tzw. kompleksu
glebowego

• zdolność zatrzymywania wody i

składników nawozów, które się
doprowadza do gleby - zjawisko
sorpcji.

Sorpcja jonowymienna na

minerałach ilastych

• (minerał ilasty)─O-H + jony K

+

• (minerał ilasty)─O-K + jony H

+

Zagrożenia i formy degradacji

gleby

• Grunty zdewastowane - grunty, które

utraciły całkowicie wartość użytkową,

• Grunty zdegradowane - grunty,

których wartość użytkowa uległa
zmniejszeniu w wyniku pogorszenia się
warunków przyrodniczych lub na skutek
zanieczyszczenia środowiska.

• Degradacja gleb - obniżenie stopnia

bonitacji.

Formy degradacji gleby

• Chemiczne skażenie gleby
• nadmierne zakwaszenie
• wyjałowienie ze składników

pokarmowych i naruszenie równowagi

jonowej

• denudacja - zniszczenie profilu

glebowego

• erozja wodna i wietrzna
• zanieczyszczenia chemiczne gleb
• biologiczne zanieczyszczenie gleb

Chemiczne skażenia gleb

• Skażenia metalami ciężkimi
• Skażenie substancjami

ropopochodnymi

• Skażenie pestycydami i detergentami
• Zakwaszenie gleby

Grunty zdewastowane

ZGH Bolesław-

ZGH Bolesław-

hałda

hałda

odpadów

odpadów

poflotacyjnyc

poflotacyjnyc

h

h

42 ha

42 ha

Skutki zakwaszenia gleby

Skażenie metalami ciężkimi

• Dostępność metali ciężkich dla roślin zależy

od wielu czynników środowiska glebowego. O
mobilności i zawartości metali ciężkich
decyduje skład granulometryczny i pH gleb.

• W warunkach kwaśnego odczynu gleby rośliny

łatwo pobierają większość metali ciężkich.
Pobieranie metali ciężkich z gleb zmniejsza
się przy odczynie pH 6,5 - 7,5.

Zakwaszenie gleby

• Odczyn gleby jest jednym z najważniejszych

czynników decydujących o żyzności gleby.

• Optymalny odczyn pH 6,0 do 7,5. Poniżej pH

4,7 uzyskuje się bardzo niskie plony.

• O kwasowości gleby decyduje udział wapnia

w kompleksie sorpcyjnym. W miarę tracenia

wapnia - wymywanie i pobieranie przez

rośliny gleba zakwasza się.

+ H

+

+ Al

3+

=

+

2Ca

2+

C

C

a

a

C

C

a

a

H+

Al

3+

Zakwaszenie gleby-źródła

• Naturalne- rozkład materii

organicznej

• Antropogeniczne- nawozy

azotowe

• Antropogeniczne - kwaśne

deszcze powstające w wyniku
emisji związków siarki i tlenków
azotu

Skutki zakwaszenia gleby

• zniszczenie struktury gruzełkowej gleby i

otrzymywanie struktury szlamistej - zaburzenia

w procesie magazynowania wody

• wypłukiwanie jonów Ca

2+

• wymywanie jonów glinu do roztworu glebowego

• zanik życia biologicznego gleby

• spadek plonowania roślin

• pobieranie metali ciężkich przez rośliny i

włączanie ich w łańcuch pokarmowy człowieka

Łagodzenie skutków

zakwaszenia gleby

•wapnowanie
•dodatek humusu do gleby
•nawożenie organiczne /

nawozy naturalne na
kwaśne gleby

Ćwiczenie 3

Chemiczne właściwości wody

• Zasadowość wody

• Zasadowość wody to zdolność wody do zobojętniania kwasu. Próbkę

wody miareczkujemy za pomocą HCl do pH 4,5 wobec metyloranżu.

• Jest miarą obecności w wodzie węglanów i wodorowęglanów,

wodorotlenków wapnia i magnezu

•

np.Próbka wody + 2HCl = CaCl

2

+ H

2

O

• Kwasowość wody

• To zdolność wody do zobojętniania zasad. Próbkę wody miareczkujemy

za pomocą NaOH do pH 4,5 wobec metyloranżu (kwasowość

mineralna) oraz do pH 8,3 wobec fenyloftaleiny (kwasowość ogólna).

• Jest miarą obecności wolnego CO

2

, kwasów humusowych

(próchnica), a w wodach kopalnianych kwasu siarkowego,

pochodzącego z wietrzenia pirytu FeS

2

.

•

Np. Próbka wody + NaOH = Na

2

SO

4

+ H

2

O

Właściwości chemiczne wody - pH

wody

• Dysocjacja wody według reakcji:

H

2

O =

H

+

+ OH

-

• Iloczyn jonowy wody Kw

K

w

= [H

+

] [OH

-

] =1· 10

-14

, 25

o

C

[H+] = [OH-] = 10

-7

mol/dm

3

Właściwości chemiczne wody - pH

wody

pH = - log [H

+

]

pH> 7 roztwór alkaliczny, zasadowy
pH<7 roztwór kwaśny
pH=7 roztwór obojętny

Właściwości chemiczne wody -

pOH wody

pOH = -log[OH

-

]

pH + pOH = pKw = 14

pOH = 14 - pH

pH naturalnej wody

  

wody powierzchniowe pH 6.5 do 8

•  wody podziemne 5.5 do 7.5
•  kwaśne deszcze pH <5,6
•  Jeziora zdegradowane przez kwaśne deszcze

<pH 4

Woda dołowa kopalniana

Iron Mountais, USA, pH 2,5

Łomniczanka, pow.Nowy Sącz, pH 7,2

Obliczanie pH kwasu

Dane:

Roztwór kwasu HCl o stężeniu

0,01 mol/dm

3

(0,01 M)

Oblicz:

pH

Rozwiązanie

• HCl(aq) → H

+

+ Cl

−

0,01 M

0,01 M

0,01 M

• pH = - log [H

+

] = −log (0.01) =

2

Obliczanie pH zasady

Dane:

Roztwór zasady NaOH o stężeniu

0,01 mol/dm

3

(0,01 M)

Oblicz: pH

Rozwiązanie

NaOH→ Na

+

+ OH

-

0,01

0,01

0,01

pOH = -log[OH] = - log0,01 = 2

pH = 14 - pOH = 14-2 =

12

Ćwiczenie 4

Oznaczanie twardości wody

• Twardość wody = tw. stała + tw. przemijająca
• Twardość wody jest spowodowana przez obecność

soli , najczęściej wapnia i magnezu

Twardość stała

Twardość.

przemijająca

Tw. wapniowa

CaCL

2

CaSiO

3

CaSO

4

Ca(HCO

3

)

2

Tw. magnezowa

MgCl

2

MgSO

4

MgSiO

3

Mg(HCO

3

)

2

Usuwanie twardości wody- czyli zmiękczania

wody

Metody :
• Podgrzewanie wody (wytrącają się

związki wapnia i magnezu)

• Użycie reagentów chemicznych,

takich jak wapno i soda, polifosforany

itp. prowadzi do chemicznego

strącania soli wapnia i magnezu.

• Wymiana jonowa na jonitach
• Odwrócona osmoza

Podgrzewanie wody

• Temperatura ok.100

o

C

• Ca(HCO

3

)

2

= ↓CaCO

3

+ CO

2

+ H

2

O

• Mg(HCO

3

)

2

= ↓Mg(OH)

2

+ 2CO

2

• Z wody strącają się trudno

rozpuszczalne związki wapnia i magnezu
– usuwamy tzw. twardość przemijającą

Usuwanie twardości wody – metody chemiczne

dodatek wodorotlenku wapnia lub sody

Ca(HCO

3

)

2woda

lub

Mg(HCO

3

)

2 woda

+

+ reagent - Ca(OH)

2

lub Na

2

CO

3

↓CaCO

3

+ ↓Mg(OH)

2

+ 2H

2

O

Usuwanie twardości wody

• Zmiękczanie fosforanami pozwala na

usunięcie twardości węglanowej i
niewęglanowej (stałej).

• Najlepsze efekty udaje użycie fosforanu

trójsodowego Na

3

PO

4

* 12H

2

O. Ponieważ

jest to metoda kosztowna, stosuje się ją
jako proces końcowy po wstępnym
zmiękczeniu metodą wapno-soda.  

Usuwanie twardości wody – metody chemiczne

Ca(HCO

3

)

2

lub

Mg(HCO

3

)

2 lub

CaSO

4

lub MgSO

4 woda

+

dodatek strącający

Na

3

PO

4

↓Ca

3

(PO

4

)

2

+ ↓Mg

3

(PO

4

)

2

+ NaHCO

3

+ Na

2

SO

4

osad

woda

Urządzenia przemysłowe do zmiękczania wody

metodą chemiczną

• Opis schematu:
• 1 - główny rozdzielacz

wody,

• 2 - sytnik wapna,
• 3 - zbiornik

przygotowawczy

roztworu sody,

• 4 - ogrzewacz

kaskadowy,

• 5 - reaktor,
• 6 - filtr.

Ćwiczenie 5

Badanie wybranych parametrów jakości

kompostu

• Kompostowanie

jest

to

suma

procesów

mikrobiologicznych

zachodzących

w

warunkach

tlenowych i beztlenowych, prowadzonych przez

mikroorganizmy związane z tworzeniem

humusu

z

odpadów organicznych.

• Kompostowanie jest to proces mineralizacji materii

organicznej

i

synteza

próchnicy

–

humusu,

zawierającego zwiększone ilości minerałów azotu i

fosforu oraz biomasę mikroorganizmów.

Kompostowanie

Materia organiczna + O

2

+ N + P +

mikroorganizmy =

CO

2

+ energia cieplna + humus +

mikroorganizmy

Fazy kompostowania

• I faza – mezofilna - do 45

o

C, namnażanie mezofilnych

bakterii i grzybów, które utylizują jako pokarm łatwo
dostępną materię organiczną

• II faza – termofilna – od 50 do 80

o

C namnażanie

bakterii, promieniowców i grzybów

• III faza – schładzanie
• IV faza – dojrzewanie kompostu – resynteza kompostu,

organizmy mezofilne w dalszym ciągu prowadzą
degradację materii organicznej

Fazy kompostowania

• Temperaturowe fazy w procesie kompostowania są

odzwierciedleniem aktywności metabolicznej sukcesywnie
zmieniających się populacji mikroorganizmów w degradacji
coraz trudniej rozkładanej materii organicznej.

0

25

50

75

100 dni

oC

60

40

20

Kompostowanie – etapy reakcji

fizykochemicznych

:

• Rrozkład tlenowy związków: C,H,N,S,P i wydzielanie

produktów,np.CO

2

, H

2

O.

• Rozkład beztlenowy przebiega w sposób egzotermiczny z

wydzieleniem ciepła oraz CH

4

, CO

2

, NH

3

, H

2

S.

• Produktem kompostowania jest

kompost grzejny surowy

,

który poddaje się przeróbce:
przesiewaniu w celu oddzielenia zmineralizowanej substancji i

zanieczyszczeń szkło, plastik, metal

dojrzewanie w pryzmach

ok.30 dni – produkt kompost

suszony.

•
• Kompost z odpadów komunalnych ze względu na

zanieczyszczenia nie nadaje się do celów rolniczych lub

ogrodniczych, jedynie do rekultywacji terenów

zielonych.

Kategorie odpadów organicznych nadających

się do kompostowania

Odpad

organiczny

Przykłady

Rolniczy

Słoma, pozostałości z ogródków
Obornik i nawóz organiczny
Pozostałości z plantacji

Komunalny

Organiczna frakcja odpadów miejskich
Gałęzie i liście z pielęgnacji parków,trawa
Osady z oczyszczalni ścieków

Rzemieślniczy

Kwiaciarnie, piekarnie, żywienie zbiorowe

Z gospodarstw
domowych

Śmieci miejskie, fekalia

Przemysł spożywczy Przemysł mleczarski, przemysł rybny, ubojnie

przemysł cukrowniczy, gorzelnie, odpady
słodowe, rafinacja olejów, garbarnie, produkcja

pasz dla zwierząt

Kompostowanie

Kompostowanie stałych odpadów

komunalnych-urządzenia

• biostabilizator

- bębnowa komora

obrotowa, w której proces kompostowania

trwa 24 do 36 godz. przy pełnej

automatyzacji procesu - kontroluje się

następujące parametry: stężenie tlenu,

temperatura, wilgotność odpadów,

porowatość, odczyn pH. Obroty bębna

powodują wymieszanie i rozdrobnienie

większych kawałków odpadów. Pojemność do

100 m

3

• Kompostowanie w wieżach – 1000 m

3

pojemności

Zalety kompostowania

• znaczne zmniejszenie masy i objętości

odpadów ( z 1 Mg odpadów komunalnych

uzyskuje się od 0,35 do 0,50 Mg

kompostu, odpady bezużyteczne

stanowią około 0,35 Mg, metale żelazne -

0,05 Mg i straty procesu - około 0,05 Mg),

• ograniczenie powierzchni składowisk
• poprawa struktury gleby, wzrost plonów,

zmniejszenie zużycia nawozów

mineralnych,

• przywrócenie środowisku składników

glebotwórczych

Zalety kompostowania

• eliminacja zagrożeń sanitarnych

związanych z usuwaniem odpadów

• eliminacja uciążliwych odorów

wydzielających się przez łatwo
ułożone substancje organiczne,