9. Chem. koagulacja jest proces. jednostkowym przy uzdatnianiu wód powierzchniowych.

Koagulacja jest procesem fiz.- chem. polegającym na zmniejszaniu stopnia dyspersji układu koloidalnego przez łączenie się pojedynczych cząstek substancji rozproszonej w większe skupiska- aglomeraty, opadające pod wpływem siły ciężkości w postaci kłaczkowatego osadu

Koag. można wywołać działaniem elektrolitu lub też koloidu.

W procesie koagul. wody wyróżnia się dwie formy:

-destabilizację

-flokulację

Faza destabilizacji występuje bezpośrednio po dodaniu koagulanta wywołującego szereg reakcji chem. i fiz. między wodą i powierzchnią zamieszczonych w niej cząstek. Następująca po destabilizacji faza flokulacji obejmuje reakcje fizyczne. Zachodzi ona pod wpływem oddziaływań sił wewnętrznych (ruchy Browna) i zewnętrznych (np. mieszanie) powodujących skuteczne zderzenia zdestabilizowanych cząstek koloidalnych, co w rezultacie prowadzi do utworzenia widocznej gołym okiem, kłaczkowatej zawiesiny. Zawiesina ta dodatkowo absorbuje szereg zanieczyszczeń występujące w wodzie w formie zawiesin i rozpuszczonej.

Najczęściej stosowane koagulanty:

-sole glinu i żelaza (siarczan glinowy Al₂(SO₄)₃ +18H₂O i siarczan żelazowy FeSO₄+7H₂O, chlorek żelazowy FeCl₃+6H₂O

Koagulacja jest procesem fiz. chem. polegającym na zmniejszaniu stopnia dyspersji układu koloidalnego przez łączenie się pojedynczych cząstek substancji rozproszonej w większe skupiska- aglomeraty, opadające pod wpływem siły ciężkości w postaci kłaczkowatego osadu. W technologii uzdatniania wody koagulację można wywołać działaniem elektrolitu lub też koloidu o ładunku przeciwnym do ładunku koloidów układu wodnego. Czynnikiem koagulującym są tzw. koagulanty.

W procesie koagulacji wody wyróżnia się dwie fazy:

-destabilizację- występuje bezpośrednio po dodaniu koagulantu wywołującego szereg reakcji chem. i fiz. między wodą i powierzchnią zawieszonych w niej cząstek.

W koagulacji koloidem z znaku przeciwnym względem koloidów usuwanych z wody, destabilizacja układu koloidalnego polega na zobojętnieniu ładunku cząstki koloidalnej ładunkiem cząstki koagulantu. Powoduje to rozładowanie się cząstek, przy czym zachodzi spadek potencjału elektrokinetycznego i tworzenie się większych kłaczków. Zasadniczą rolę odgrywa przy tym dobór właściwej dawki koagulantu, która powodowałaby rzeczywiście dostatecznie zmniejszenie potencjału elektrokinetycznego układu. Nadmiar dawki koagulantu nie daje dobrego efektu koagulacji. Prowadzi tylko do przewagi cząstek o odmiennym znaku ładunku elektrycznego, nie naruszającego należycie trwałości pierwotnie istniejącego układu koloidalnego.

W koagulacji elektrolitem, destabilizacja cząstek polega na zagęszczaniu warstwy dyfuzyjnej wokół cząstki koloidu jonami elektrolitu lub koagulantu o znaku przeciwnym względem ładunku usuwanej cząstki. Prowadzi to do obniżenia potencjału i naruszenia pierwotnej trwałości układu koloidalnego przez zachwianie równowagi między siłami przyciągania i odpychania cząstek koloidalnych na korzyść sil przyciągania, sprzyjających stykaniu się i zlewaniu poszczególnych cząstek ze sobą. Skuteczność tego zjawiska zależy od odpowiednio dobranego elektrolitu (koagulantu) oraz od ilości koloidów w wodzie i ich ładunków, co również wymaga określenia minimalni- optymalnej dawki koagulantu. W tym przypadku zwiększanie dawki koagulantu ponad optymalną nie pogarsza efektu koagulacji, lecz stanowi nieuzasadniony ekonomicznie nadmiar.

-flokulacja- obejmuje reakcje fiz. Zachodzi ona pod wpływem oddziaływań sił wewnętrznych i zewnętrznych powodujących skuteczne zderzania zdestabilizowanych cząstek koloidalnych, co w rezultacie prowadzi do utworzenia widocznej gołym okiem, kłaczkowatej zawiesiny. Dzięki bardzo rozwiniętej powierzchni kłaczki dodatkowo adsorbują szereg zanieczyszczeń występujących w wodzie w formie zarówno drobnych zawiesin, jak i rozpuszczonej.

12. Procesy jednostkowe przy mechanicznym oczyszczaniu ś.

7. Charakterystyczne cechy wód powierzchniowych

Głównymi naturalnymi składnikami wywołującymi mętność wód są gliny, iły oraz koloidalna krzemionka, koloidalne związki wapnia i fosforu. Mętność może być też spowodowana obecnością makroskopowych zawiesin jak cząstki roślinne, wyższe drobnoustroje, plankton oraz strącone wodorotlenki żelaza i manganu. Barwę wody wywołują substancje rozpuszczone oraz barwne cząstki koloidalne, których głównymi przedstawicielami są zawiązki ..........Oprócz domieszek naturalnych barwę i mętność wody powodują organiczne koloidy pochodzące ze ś. bytowo- gospodarczych i przemysłowych, np. białka, skrobia, chemiceluloza, peptydy i organiczne barwniki.

2 Koagulacja- stosowana jest do usuwania z wody cząstek o rozdrobnieniu koloidalnym (d=10^-7-10^-5 cm). Zapewnia destabilizację i agregację cząstek koloidalnych zarówno organicznych, jak i nieorganicznych, które następnie jako większe aglomeraty usunięte mogą być z wody w procesach sedymentacji/ flotacji i filtracji. Łącznie z koloidami usuwane są również inne zasocjowane z innymi zanieczyszczeniami, np. bakterie, jony metali ciężkich, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), pestycydy i inne. Po koagulacji prowadzonej solami glinu i żelaza najczęściej konieczne jest wiązanie agresywnego dwutlenku węgla nadającego wodzie korozyjny charakter.

3 Sedymentacja, flotacja- zapewniają usunięcie zawiesin obecnych zarówno w wodzie surowej ( nie oczyszczonej), jak i wodzie po koagulacji lub strącaniu chemicznym. W procesie s. usuwane są zawiesiny mające ciężar właściwy większy niż woda. Podczas flotacji możliwe jest usunięcie z wody cząstek o ciężarze właściwym mniejszym niż ma woda, bądź większym- przy zastosowaniu do flotacji powietrza. Flotacja niekiedy zastępuje sedymentację w układach oczyszczania wody, a stosowana jest do usuwania zawiesin trudno sedymentujących np. glonów oraz cząstek skoagulowanych w wodzie o niskiej temp.

4 Filtracja- usuwa zawiesiny i zasocjowane w nim zanieczyszczenia. W technologii wody wyróżnia się filtrację pospieszną i powolną. F. pospieszna jest najczęściej stosowana po wcześniejszych procesach oczyszczania wody. Niekiedy stosuje się f. „bezpośrednią” (bez wcześniejszego oczyszczanie )przez złoża wielowarstwowe. Skuteczność f. powolnej jest sumą efektów uzyskanych podczas filtracji pospiesznej oraz procesów biochemicznych zachodzących z udziałem bakterii saproficznych zasiedlających złoże filtrów powolnych.

5 Usuwanie zawiesin i glonów przy zastosowaniu mikrosit- zapewnia wysokie efekty eliminacji z wody mikroorganizmów oraz zawiesin organicznych i nieorganicznych. W związku z tym jest to wstępny proces w układach oczyszczania wód powierzchniowych ujmowanych ze zbiorników zeutrofizowanych. Czasami miko sita stosowane są przed filtrami pospiesznymi lub powolnymi albo jako metoda doczyszczania ś. na końcu układu ich oczyszczania.

6 Wymiana jonowa- stosowana jest do usuwania z wody substancji rozpuszczonych. W zależności od rodzaju żywic jonowymiennych, wymienne są kationy lub aniony na jony ruchliwe grup funkcyjnych jonitów. Wymianę kationów zapewniają kationity, zaś anionów- anionity. Zastosowanie właściwego układu kationitów i anionitów zapewnia demineralizację wody. Wymiana jonowa w Polsce stosowana jest do oczyszczania wód przeznaczonych głównie do celów przemysłowych (w szczególności dla energetyki), do usuwania związków powodujących twardość, do odsalania bądź demineralizacji wody.

7 Chemiczne strącanie- stosowane jest w celu usuwania niektórych jonów z wody, a polega na wytrąceniu z wody bardzo słabo rozpuszczanych związków usuwanych jonów. Wytrącające się związki spełniają często rolę sorbentów innych zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych oraz bakterii i wirusów. Po chemicznym strącaniu, podobnie jak po koagulacji, niezbędne są procesy sedymentacji, filtracji oraz czasami korekty pH. Proces ten w Polsce najczęściej stosowany jest w oczyszczaniu wód przeznaczonych do celów przemysłowych. Czasami chemiczne strącanie realizowane jest łącznie z koagulacją. Na świecie proces ten stosowany jest również do usuwania nadmiernej twardości węglowej lub ogólnej z wód przeznaczonych do celów wodociągowych .

8 Sorpcja na węglu aktywnym- służy głównie do usuwania rozpuszczonych związków organicznych, w tym ich produktów niepełnego utleniania chemicznego. Możliwa jest również dechloracja wody na węglu aktywnym. Węgiel aktywny wykorzystywany jest z dużą skutecznością do obniżania zawartości zanieczyszczeń powodujących barwę, smak i zapach wody.

9 Utlenianie chemiczne- stosowane jest w celu:

-usuwania związków barwnych oraz powodujących smak i zapach wody;

-utleniania organicznych związków refrakcyjnych i innych, trudnych do usunięcia w pozostałych procesach jednostkowych;

-wspomagania flokulacji;

-utleniania żelazu, manganu i koloidów ochronnych;

-dezynfekcji oraz obezwładniania glonów

Utleniaczami najczęściej stosowanymi w technologii wody są: chlor, ozon, dwutlenek chloru i nadmanganian potasu. Zastosowanie chem. utleniania celowe jest tylko wówczas, jeżeli nie prowadzi do powstania produktów bardziej szkodliwych niż substraty utleniania. Z uwagi na możliwość powstania tych niebezpiecznych związków, utlenianie chem. powinno być poprzedzone skutecznymi procesami usuwania zanieczyszczeń stanowiących prekursory ubocznych produktów utleniania. Dodatkowo. po utlenianiu chem., w celu usunięcia powstałych ewentualnie produktów utleniania, powinna być zastosowana sorpcja.

Metody usuwania żelaza i manganu z wody:

Napowietrzanie i filtrowanie:

Napowietrzanie i filtrowanie jest najprostszą metodą odżelazniania wody, nieskuteczną jednak przy jej odmanganianiu. Metodę tę stosuje się w przypadku wód podziemnych słabo natlenionych, o podwyższonej zawartości wolnego dwutlenku węgla, w których żelazo występuje w postaci rozpuszczonego kwaśnego węgla żelazowego. Utleniaczem jest tlen atmosferyczny, a reakcja przebiega w środowisku lekko alkalicznym (pH>=7), to jest przy takim odczynie (pH), jaki wytworzy się po napowietrzeniu wody. Przy napowietrzaniu bowiem, usuwany jest z wody wolny dwutlenek węgla, co powoduje hydrolizę soli żelaza wg reakcji

Fe(HCO₃)₂+2H₂O~~Fe(OH)₂+2CO₂/+2H₂O

Oraz podwyższenie odczynu wody (pH). Dodatkowo do wody wprowadzany jest tlen. W tych warunkach powstający wodorotlenek żelazny utlenia się do trudno rozpuszczalnego wodorotlenku żelazowego:

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O~~4Fe(OH)₃\ który wytrąca się z wody i jest następnie oddzielany mechanicznie. Sole manganowe, jako bardziej trwałe nie są usuwane z wody podczas tych procesów. Do oddzielania od wody powstającego, nierozpuszczalnego wodorotlenku żelazowego wykorzystuje się na ogół proces filtrowania może być poprzedzony procesem osadzania lub stosuje się dwustopniowe filtrowanie wody na złożach piaskowych o zróżnicowanych uziarnieniach.

Metoda napowietrzania i filtrowania pozwala na obniżenie zawartości żelaza występującego w wodzie w postaci kwaśnego węglanu, do około 0,2 mg Fe/l.

Napowietrzanie, alkalizowanie i filtrowanie

Metoda ta pozwala na usuwanie z wody zarówno związków żelaza, jak i manganu, w różnych jednak warunkach.

Dodatkowe alkalizowanie wody przy odżelaznianiu jest niezbędne w przypadku wód:

-o niskiej zasadowości i jednocześnie dużej zawartości wolnego dwutlenku węgla, wtedy bowiem nie zawsze wystarczające jest samo napowietrzanie wody, aby wytworzyć korzystne środowisko dla przebiegu procesu;

-zawierających obok kwaśnych węglanów również siarczany żelazowe, zgodne bowiem z reakcją hydrolizy:

FeSO₄+2H₂O~~Fe(OH)₂+H₂SO₄ należy związać powstający kwas siarkowy, środkiem alkalicznym:

H­₂SO_4­+Ca(OH)₂=CaSO₄+2H₂O

Powstający wodorotlenek żelazowy, tka jak w poprzedniej metodzie, jest utleniany tlenem do wodorotlenku żelazowego, a wytrącający się z wody osad jest od niej oddzielany metodami mechanicznymi: Odczyn (pH) wody, jaki należy wytworzyć dla optymalnego przebiegu tego procesu, z reguły nie przekracza 8,3-8,5, co mieści się w dopuszczalnych normach dla wody do picia i celów gospodarczych i tym samym nie stwarza trudności eksploatacyjnych.

Natomiast usuwanie z wody związków manganowych metodą napowietrzania, alkalizowania i filtrowania wymaga wytworzenia środowiska o pH >10. Jest to bardzo korzystne również (chociaż nie koniecznie) dla przebiegu procesu odżelazniania wody. Jednakże w tych warunkach woda staje się niestabilna, nabiera cech osado twórczych i zmienia swoje cechy organoleptyczne. Wymaga więc to dokonania stabilizacji jej właściwości po odżelaznianiu i odmanganianiu. Do alkalizacji wody stosuje się najczęściej wodorotlenek wapniowy w postaci mleka wapiennego lub wody wapiennej.

Napowietrzanie, filtrowanie i dodawanie manganianu potasowego

Metodę tę, wykorzystując znacznie silniejszy od tlenu atmosferycznego utleniacz, jakim jest nadmanganian potasowy, stosuje się do:

-odmanganiania wody, pozwala ona bowiem na utlenianie jonu manganawego przy odczynie bliskim obojętnemu i eliminuje problem stabilizacji wody uzdatnionej;

-odżelazniania i odmanganiania wód podziemnych zawierających podwyższone ilości związków organicznych, azotu amonowego i siarkowodoru. Są to wody pochodzące z terenów bagienno- torfiastych. Żelazo i mangan występują w nich w połączeniu ze związkami organicznymi tworząc kompleksy, które nie są utleniane tlenem atmosferycznym nawet w środowisku silnie alkalicznym.

W praktyce istnieją 2 sposoby realizowania tej metody:

-dawkowanie roztworu manganianu potasowego bezpośrednio do uprzednio napowietrzonej wody i następnie filtrowanie jej przez złoże piaskowe,

powoduje to utlenianie jonu manganowego jak również jonu żelazowego oraz częściowo związków organicznych;

-wytworzenie na złożu z piasku filtracyjnego powłoki z wyższych tlenów manganu przez działanie na nie roztworem nadmanganianu. Powłoka ta ma zdolności utleniająco- katalityczno- sorpcyjne. Przepuszczanie przez takie złoże uzdatnianej wody powoduje utlenianie zawartego w niej jonu manganowego, a także dodatkowo utlenianie innych związków zredukowanych, w tym przede wszystkim jonu żelazowego i związków organicznych. Po wyczerpaniu się zdolności katalityczno- sorpcyjnych złoża jest ono regenerowane ponownie roztworem nadmanganianu potasowego.

W praktyce zależnie od składu wody i warunków eksploatacyjnych, proces jej odżelazniania i odmanganiania prowadzi się:

-wspólnie w układzie jednostopniowym na złożu piasku filtracyjnego pokrytego sztucznie wytworzoną powłoką tlenków manganu lub na złożu czystego piasku filtracyjnego z dawkowaniem do wody roztworu nadmanganianu potasowego;

-oddzielenie w szeregowym układzie dwustopniowym, w którym I stopień pełni rolę odżelazniacza, II zaś- odmanganiacza. Proces odmanganiania na II stopniu może być realizowany albo za pomocą bezpośredniego dawkowania do wody roztworu nadmanganianu potasowego, albo przez uprzednie wytworzenie na złożu piasku filtracyjnego powłoki utleniającej.

O wyborze jednego z podanych powyżej układów technologicznych decyduje przede wszystkim zawartość żelaza w uzdatniane wodzie, która głównie wpływa na wielkość dodatkowego zużycia nadmanganianu potasowego. Przesłanki ekonomiczne wskazują, ze już przy wyjściowej zawartości żelaza w wodzie powyżej 1 mg Fe/l korzystne jest prowadzenie odżelazniania i odmanganiania w układzie dwustopniowym.

Cel i zakres badań technologicznych nad koagulacją wody.

Mechanizm koagulacji wskazuje na to, iż koagulacja jest skomplikowanym fiz.- chem. procesem, na przebieg którego ma wpływ szereg różnych czynników. Wśród nich największe znaczenie mają:

-właściwości wody,

-temp. wody,

-odczyn towarzyszący procesowi koagulacji,

-rodzaj i dawka koagulantu,

-sposób mieszania wody z koagulantem.

Wymienione czynniki oddziaływają na siebie w rozmaitym stopniu. Prowadzenie koagulacji wody w optymalnych warunkach może być więc możliwe po wykonaniu odpowiednio zaprogramowanych prób technologicznych opartych na dobrej znajomości zasad procesu. najbardziej ogólnie próby te sprowadza się do określenia tzw. koagulacyjności wody pochodzącej z konkretnego źródła i wykonuje się je zwykle w odniesieniu do określonego koagulantu w zakresie i z częstotliwością dostosowanymi do zmian składu i temp. wody surowej w źródle. W badaniach dąży się przede wszystkim do ustalenia optymalnej dawki koagulantu, optymalnego odczynu, najbardziej korzystnych warunków flokulacji (rodzaje i dawki środków wspomagających, czas wolnego mieszania), sedymentacji i filtracji. Kryterium doboru ww. parametrów jest efektywność przebiegu procesu oraz zmiany fiz.- chem. i bakteriologicznych właściwości wody uzdatnionej. Aby uzyskane wyniki badań miały charakter porównywalny i mogły służyć za podstawę do ogólnej oceny procesu, koagulację wody prowadzi się przy zachowaniu ściśle określonego standardowego wykonania doświadczenia. Każde doświadczenie polega na tym, że do szeregu jednakowych próbek badanej wody, stanowiących serię, stosuje się różne ilości czy wartości czynnika technologicznego podlegającego badaniu, przy zachowaniu niezmienionych parametrów, i porównuje uzyskane efekty.

Badania nad koagulacją wody podejmowane są, ze względu na zmienny skład i temp. wody powierzchniowej , w celu kontrolowania i korekty przebiegu koagulacji w urządzeniach technicznych już pracujących lub też w celu przygotowania założeń projektowania i budowy nowych urządzeń. Podstawową formą badań są próby technologiczne wykonywane w skali laboratoryjnej. Badania na modelach w skali ułamkowo- technicznej są zalecane w projektowaniu dużych i kosztownych inwestycji.

---