Sekwencja w oczyszczaniu wód podziemnych

Wody podziemne podlegają uzdatnianiu z domieszek dostających się do nich za środowiska.

Ciąg technologiczny dla oczyszczania wody podziemnej:

↓utleniacz

Utleniacz

Sedymentacja

Filtracja

Dezynfekcja

↑nie zawsze

musi być

Parametry charakteryzujące wodę podziemną:

- zasadowość

- stężenie CO₂

- st. jonów Fe⁺²

- st. jonów Mn⁺²

- st. jonów K⁺

- st. jonów Na⁺

- utlenialność (nie zawsze)

Substancje występujące w wodach podziemnych:

- gazy rozpuszczone: tlen, CO₂, H₂S, CH₃, N₂, coraz częściej amoniak

- zasolenie-występowanie siarczanów, chlorków, węglanów, Mg⁺², Na⁺, K⁺, wodorowęglanów, Ca, Fe⁺² i Mn⁺² w postaci kwaśnych węglanów.

Uzdatnianie Wód podziemnych opiera się przede wszystkim na usuwaniu z wody Fe⁺² i Mn⁺². Jony te występują w wodzie podziemnej w formie zredukowanej. Usuwa się je przez utlenianie.

Fe⁺² –

Fe(HCO₃)+H₂O→Fe(OH)₂+2H₂CO₃

Fe(OH)₂+O₂→ Fe(OH₂)↓

4Fe⁺²+ O₂+10 H₂O→4Fe(OH)₃+8H

Reakcja ta zależy od odczynu, dawki utleniacza i czasu kontaktu. Utleniając Fe zmniejsza się zasadowość, co trzeba kontrolować. Żelazo utlenia się tlenem z powietrza(napowietrzanie). Reakcja utleniania odbywa się w środowisku obojętnym(pH≈7). Jeżeli Fe staje się nieusuwalny (jeśli połączy się ze związkiem nadającym mu taką właściwość), to w układ oczyszczania trzeba wkomponować proces koagulacji.

Mn⁺² –

2Mn⁺²+O₂+2H₂O→2MnO₂+4H⁺

Mn należy utleniać do +4 stopnia utlenienia. Proces ten najlepiej zachodzi w środowisku alkalicznym(trzeba tego unikać). Podczas filtracji Mn nie usunie się zwykłym piaskiem. Mn usuwamy katalitycznie: z +2 na +3 st. utlenia się katalitycznie, z +3 na +4 utlenia się tlenem z powietrza. Na +4 st. utlenienia Mn jest zatrzymywany w złożu. Można tę reakcje przyspieszyć dodając do wody utleniacz.

Usuwanie żelaza: pompowanie→napowietrzanie→osadnik (może być ale nie musi)→filtracja→dezynfekcja

Sposoby napowietrzania:

- napowietrzanie ciśnieniowe(zamknięte): zasadowość>5vol/cm³=250gCaCO₃/ cm³

- napowietrzanie otwarte: zasadowość 2-5vol/cm³, trzeba usunąć CO₂ w postaci wolnej (gdy zasadowość zbliżona do 5 to stosujemy dysze zderzeniowe, gdy zasad. między 2-3 to złoża ociekowe)

- napowietrzanie złożem ociekowym i chemiczne wiązanie CO₂ z wapnem: gdy zasad. <2.

Woda uzdatniona musi mieć odczyn obojętny.

Wody często zawierają amoniak(dostaje się do nich z wodami infiltracyjnymi. W celu jego usunięcia w układ standardowy wbudowuje się tzw. filtr suchy (wykorzystuje się tu proces nitryfikacji w obecności bakterii.

Substancje występujące w wodach podziemnych:

1. gazy

2. występujące powszechnie N₂ , O₂ , CO₂ , CH₄

3. występujące mniej powszechnie i najczęściej w małych ilościach CH_2, H₂S, He, Ar oraz cięższe węglowodory

4. występujące lokalnie NH_3, SO_{2 ,} HCl , HF i inne

Według rozpuszczalności gazy dzielimy na;

1. łatwo rozpuszczalne - głównie CO_{2 i} H₂S tworzące w wodą dysocjujące związki,

2. trudno rozpuszczalne – występujące w wodzie w formie roztworów cząsteczkowych, cząsteczkowych cząsteczkach obojętnych, a więc stabilnych chemicznie.

Rozpuszczalność gazów w wodzie zależy od temperatury i ciśnienia.

Tlen rozpuszczony-jest słabo rozpuszczalny w wodzie i występuje w niewielkich ilościach w wodach podziemnych. Wraz z głębokością zmniejsza się jego zawartość, a po osiągnięciu granicy tlenowej zanika zupełnie. Jego brak w wodach płytkich jest wskaźnikiem obecności w wodzie zredukowanych związków organicznych i nieorganicznych.

Substancje rozpuszczone- poziom mineralizacji i wód podziemnych jest większy niż powierzchniowych i zwiększa się wraz z głębokością warstwy wodonośnej. Do anionów dominujących należą: wodorowęglany, siarczany, chlorki, zaś powszechnie występującymi kationami są: wapń, magnez, sód, potas, żelazo, mangan.

Inne zanieczyszczenia nieorganiczne- do tej grupy zaliczamy metale ciężkie oraz radionuklidy, które tradycyjnie nazywane są mikro zanieczyszczeniami  stwierdza się je w głębokich wodach kambryjskich kambryjskich są to wówczas domieszki pochodzenia geologicznego. Stężenie radionuklidów zwiększa się z głębokością wód.

Zanieczyszczenia organiczne- zw. humusowe, produkty przemiany materii i organizmów żywych oraz zw. pochodzące z rozkładu organizmów obumarłych, związki pochodzenia antropogenicznego: fenole, chlorowane związki organiczne, WWA, substancje powierzchniowo czynne.

Procesy technologiczne do oczyszczania uzdatniania wód podziemnych z Fe Mn Co₂

Fe(HCo₃)₂ + H₂O  Fe(OH)₂ + 2H₂CO₃ , natlenianie by przeszło w formę Fe(OH)₃,
4Fe­­⁺² + O₂ + 10H₂O4Fe(OH)₃ +8H⁺ (ph=7, utlenianie) ta reakcja zależy od odczynu dawki utleniacza i czasu kontaktu. Na 0,14g tlenu potrzeba by przeszło z Fe²⁺na Fe³⁺ utleniając zmienia się nam zasadowość wody. Mangan 2Mn ⁺²+ O₂ + 2H2O  2MnO₂+4H⁺ reakcja ta zachodzi w wysokich odczynach. Pompowanienapowietrzanie(osadnik, może ale nie musi) filtrowaniedezynfekcja. Mangan usuwamy katalitycznie z +2+3 i z +3+4 z tlenu który jest na powietrzu na +4 jest zatrzymywany w złożu. Sposoby napowietrzania (w zależności od składu wody) 1.jeżeli zasadowość >5val/cm³=250 CaCO₃/cm³ napowietrzanie ciśnieniowa (aerator ciśnieniowy). Pompownia I stopnianapowietrzaniefiltr ciśnieniowywoda pod ciśnieniem. 2. Jeżeli 2<zasadowość<5 to system otwarty żeby CO₂ mógł być wydmuchany, stosujemy II stopień pompowni. Jeżeli zasadowość zbliżona do 5 to dysze zderzeniowe, wodarurociąg(za pomocą pierścieni) woda rozpryskuje się. Jeżeli zasadowość zbliżona do 2 to dajemy złoża ociekowe(lepiej rozbija strugę i w zw. Z tym lepiej usuwa Co₂ . jeśli zasad. Poniżej 2 (bardzo dużo Co₂) to napowietrzanie na złożach ociekowych + chem. Wiązanie Co₂ wapnem. Są też wody zawierające amoniak , dopływ wody trzeba zbadać i oddzielić w tych których jest NH₄ . tworzy się filtry suche (modyfikacja w układzie standardowym). Buduje się przed lub za filtrem jest to filtr w którym tracimy ciśnienie bo woda jest rozpryskiwana (aeracja) i uzyskujemy proces nitryfikacji.

Metody fizyczne. W przypadku gazów reagujących z cząsteczkami wody (CO₂, 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-, HCO₃^- ,CO₃^2-)pozostają w wodzie. W związku z tym większą sprawność usuwania CO₂ i H₂S uzyskuje się przy mniejszych wartościach ph. Podczas napowietrzania usuwane są też CH₄ i lotne zw. organiczne. Odkwaszenie wody przez jej napowietrzanie ma duże znaczenie w oczyszczaniu wód podziemnych zawierających zwykle znaczne ilości FeII , w wyniku wypędzania CO₂ zwiększa się wartość ph wody co sprzyja przejściu H₂S HS^- a więc zmniejszeniu gazowej ilości H₂S. Zjawisko to nie powoduje wyraźnego obniżenia sprawności usuwania H₂S z wody. By usunąć LZO z wody należy b. Intensywnie napowietrzać. Intensywność odkwaszania wody zależy od jej zasadowości , zasadowość decyduje też o stosowanym sposobie jej napowietrzenia. Odkwaszanie wody powinno być tak przeprowadzone aby woda przesyłana do sieci wodociągowej nie charakteryzowała się agresywnością kwasowęglową a więc musi spełniać warunki stanu równowagi węglowo-wapniowej. Urządzenia do napowietrzania wody to aerator. Aeratory do napowietrzania ciśnieniowego są to zbiorniki ciśnieniowe w których odkwaszana woda kontaktuje się z zassanym powietrzem. Najczęściej do tego celu stosuje się ciśnieniowe mieszacze powietrza z wodą oraz ciśnieniowe zbiorniki napowietrzania. Do mieszaczy musi być doprowadzone sprężone powietrze którego ilość zależy od stężenia FeII w oczyszczonej wodzie ciś. powietrza powinno być o 0,1MPa większe od ciś. H₂O powietrze wprowadzane do wody usuwane jest przez automatyczny ??awsu odpowietrzając stanowiąc element mieszacza ciśnienie robocze w mieszaczach wynosi od 0,6Mpa, prędkość przepływu wody powinna wynosić 0,05-0,06 m/s a zalecany czas kontaktu wody z powietrzem wewnątrz aeratora jest równy 30-180 sek. Usuwanie Fe z wody polega na utlenieniu jonów FeII do FeIII i usuwaniu wytrąconych zw. Fe(OH)₃ z oczyszczonej wody w procesie sedymentacji i filtracji. Proces hydrolizy nieorganicznych zw. Fe i utlenieniu z II do III przebiega łatwiej niż hydroliza zw. Manganu. Jeżeli Fe występuje jako Fe(HCO₃)₂ to stosuje się układ uzdatniania wody: napowietrzanie sedymentacja (przy znanych ilościach Fe(OH)₃ odżelazienie (filtracja pośpieszna) dezynfekcja. Jeżeli Fe obecne jest również w postaci Fe SO₄ do układu powinien być włączony alkalizacji zapewniający neutralizację H₂SO₄ powstającego podczas hydrolizyFeSO_4­ ilość alkaliów jest odwrotnie proporcjonalna do zasadowości uzdatnionej wody W przypadku kiedy nie występuje w wodzie w połączeniu z zw. organicznymi napowietrzanie bądź chemiczne utlenianie, sedymentacja i filtracja są nie skuteczne. Do usuwania takich form Fe wymagany jest najczęściej proces koagulacji.
Usuwanie manganu z wody- problem rozpuszczalności zw. manganu ni jest do końca poznany jednak wiadomo że zw. trudno rozpuszczalnym jest MnO₂  H₂O Istota odmanganowania polega na utlenieniu jonów MnII do MnIV i wytrąceniu ich w postaci MnO₂  H₂O Zw. manganu obecne w wodach podziemnych są bardziej trwale i nie ulegają tak łatwo hydrolizie jak sole Fe nawet przy zawartości  10g Mn/m³ Hydroliza przebiega wolno a Mn przy tlenie i stężeniu 10^-5 mola Mn/dm³ utlenia się przy ph >9,5 Utlenieniu towarzyszy zmieszenie ph. Stosowanie napowietrzenia wody przy ph < 9,5 nie zapewnia utlenienia manganu pozwala na odkwaszenie wody i wprowadzenie O₂ niezbędnego do utlenienia Mn III Mn IV. W celu zmniejszenia zawartości ph wymaganej do skutecznego utleniania MnII do MnIV zamiast tlenu można stosować silniejsze utleniacze np. chlor i ozon. Skuteczną metodą odmanganiania wody jest jej filtracja przez wpracowane złoże filtracyjne (umożliwia usuwanie Mn z wody bez wcześniejszej alkalizacji)którego ziarna pokryte sę dwutlenkiem Mn lub przez złoże z braunsztynu – rudy manganowej.