Procesy technologiczne stosowane w oczyszczeniu wody

Każdy proces technologiczny eliminuje po części bakteriologie. Jeden proces do oczyszczania wód nie starczy – zawsze jest sekwencja różnych procesów, dla zakładów – 4 ciągi technologiczne. Nie oczyszcza się wód gruntowych z dużych głębokości z warstw wyizolowanych (brak buforowości, za czyste). Wodę należy najpierw oczyszczać metodami fizycznymi: sedymentacja i filtracja, dopiero kiedy te nie przynoszą rezultatów należy zastosować metody chemiczne, które zmieniają skład chemiczny wody.

1.Usuwanie zawiesin przy zastosowaniu mikrosit – usuwane są duże zawiesiny i glon, mikrosita montowane są na początku układu lub zamiast osadnika przed filtrami.

2.Wymiana jonowa – do usuwania form jonowych anionów i kationów, polega na wymywaniu anionów i kationów na jony grup funkcyjnych masy jonowymiennej.

3.Chemiczne strącanie – stosowane dla usunięcia jonów metali ciężkich, do przygotowania wody do celów przemysłowych np. dekarboksylacja wapniem.

4.Adsorpcja( sorpcja na węglu aktywnym) – w przypadku wody w kategorii A i B. W adsorpcji stosuje się substancje dużą powierzchnie właściwą i miejsca aktywne, z których łatwo usunąć zanieczyszczenie. Substancją taką jest np. węgiel aktywny. Są węgle: granulowane, formowane (łączy się cząstki pyłu węglowego za pomocą środka kompleksującego), pyliste. Węgle stosuje się do: filtracji, dechloracji, adsorpcji. Adsorpcje stosuje się w procesie oczyszczania wody po filtracji, a przed dezynfekcją. Zdolność adsorpcji najlepiej określić wykonując test izotermy adsorpcji. Im izoterma jest bardziej wypukła tym większa zdolność adsorpcji. Obrazem pracy kolumny adsorpcji jest tzw. krzywa przebicia. Węgiel aktywny po zużyciu należy zregenerować np. przy pomocy ozonu.

5.Utlenianie stosuje się w celu usunięcia związków powodujących barwę, smak i zapach; nie powoduje eliminacji tych związków, ale zmianę ich struktury. Utleniacze stosuje się przed filtrami. Wstępne utlenienie może polepszyć efekt usuwania tłuszczów.

- proces utleniania Fe i Mn – do takiej postaci, że są usuwane z wody

- dezynfekcja – jest końcowym etapem utleniania

Kryterium doboru utleniaczy:

1. stan równowagi reakcji – potencjał redoks sumaryczny odnosimy do zmiany swobodnej (wolnej) energii(ΔG˚) i stałej równowagi redukcji (K)

ΔG˚=-n*F*E˚=-R*T*lnK; F-stała Faraday’a, E˚-potencjał reakcji redoks, R-stała gazowa

2. kinetyka procesu – reakcja , k₁ – reakcja pseudo I rzędu; należy zdefiniować stałą i wyznaczyć stałą procesu

3. cena utleniacza – O₃ jest najlepszym utleniaczem, ale zarazem najdroższym, stosuje się go przed adsorpcją; chlor jest najtańszym utleniaczem.

Utleniacze: Cl₂, O₃, CO₂, KMnO₄, podchloran sodu.

Utlenianie stosujemy w różnych miejscach układu technologicznego. Celem utleniania na początku drogi wody jest wyeliminowanie mikroorganizmów w wodzie surowej, a które mogą wprowadzać utrudnienia w funkcjonowaniu systemu dostarczania wody (np. osady biologiczne). Utlenianie następuje też przed adsorpcją, gdzie powoduje rozbicie grubszych cząstek na drobniejsze, dzięki czemu przyspieszany jest proces adsorpcji na węglu aktywnym. Podczas utleniania mogą powstawać związki kancerogenne np. THM (humus+Cl→THM). Najlepiej jest stosować ozon, ale jest on drogi. Jeżeli jednak w wodzie zawarte są bromki to ozonowanie powoduje powstawanie szkodliwych bromianów. Ozonowania nie można stosować również jako procesu końcowego oczyszczania bo działa on punktowo i może wówczas wystąpić wtórne zanieczyszczenie.

6.Dezynfekcja – jest końcowym etapem utleniania. Wszystkie dezynfektanty są utleniaczami np.: O₃ (najbardziej efektywny utleniacz ale bardzo drogi), Cl₂, ClO₂, KMnO₄, promieniowanie UV, podchloraminy np. sodu i potasu, J₂ itp.- powodują one destrukcję błony komórkowej bakterii. Dezynfekcja musi być w każdym układzie oczyszczania wody, występuje na końcu układu, jest to usuwanie mikroorganizmów. Należy zwrócić uwagę na to ile dezynfektantu zostanie może pozostać po dezynfekcji w sieci wodociągowej, jest to określone w normach. Bez względu na to jakie stosujemy dezynfektanty to na końcu i tak chlorujemy.

7.Napowietrzanie – połączone z procesem odpędzani, tzw. proces strippingu; usuwane są gazy rozpuszczalne i lotne związki organiczne, podnosi się odczyn. Zależy od zasadowości wody: a) zas. >5val/m³ napowietrzanie ciśnieniowa (aerator ciśnieniowy); b) zas.3-5val/m³ napowietrzanie otwarte dysze zderzeniowe; c) zas. 2-3val/m³ napowietrzanie otwarte złoża ociekowe; d) zas.<2val/m³ napowietrzanie otwarte+chemiczne wiązanie wapnem. Napowietrzanie ma dostarczyć tlen do utlenienia Fe. Złoża ociekowe - najbardziej intensywny sposób napowietrzania, proces napowietrzania następuje kiedy ścieka woda. O intensywności napowietrzania mówi wysokość wieży przy konkretnym wypełnieniu. Stripping – wapnem chemicznie strącamy fosforany, Alkalizacja – może być dobra przy usuwaniu Mn. Mn jest usuwany w procesie katalitycznego utleniania. W wodach podziemnych jest więcej Fe niż Mn. Gdy Fe>5g/m³ to między napowietrzaniem a filtracją należy umieścić sedymentacje.

8.Koagulacja – stosowana do usuwania z wody cząstek o rozdrobnieniu koloidalnym (naturalne subst. Humusowe powodujące barwę, zawiesinę i subst. Koloidalne), destabilizacja układu koloidalnego). Koagulacje można prowadzić 7 metodami: 1) oddanie koloidu o znaku przeciwnym do koloidu, który się znajduje w wodzie, ładunek można oznaczyć w cetametrze; 2) oddanie elektrolitu, który zmniejsza potencjał; 3) działanie promieniowania β i γ; 4) ogrzewanie; 5) działanie mechaniczne, np. wytrząsanie; 6) proces dehydratacji; 7) wymrażanie. Cząstki koloidalne: a)hydrofobowe, b) hydrofilowe. Koloidy gromadzą ładunek na swojej strukturze, powodują one barwę. Koagulacja to obniżenie efektu tzw. potencjału dzet. Koagulacja poprzez dodatek koloidu o ładunku przeciwnym – dodajemy sole hydrolizujące, które w wyniku dysocjacji, a potem hydrolizy dają koloidy o ładunku przeciwnym. Koagulanty: a) siarczan glinu Al₂(SO₄)₃*18H₂O, b) siarczan żelazowy Fe₂(SO₄)₃*9H₂O, c) siarczan żelazowy FeSO₄*7H₂O, d) glinian sodu Na₃Al₂O₃, e) chlorek żelazowy FeCl₃*6H₂O, f) siarczan glinowo – potasowy Al₂(SO₄)₃*K₂SO₄*24H₂). D_k=K₁*[zas]+K₂*C, D_k – dawka koagulanta, K₁, K₂ – stała, C – ładunek cząstki koloidalnej. . Koagulanty ulegają: a) dysocjacji Al₂(SO₄)₃=2Al³⁺+3SO₄^2-, b) hydrolizie 2Al³⁺+2H₂O=2Al(OH)²⁺+2H⁺, 2Al(OH)²⁺+2H₂O=2Al(OH)₂⁺+2H⁺, Al₂(SO₄)₃+6H₂O=2Al(OH)₃+6H⁺+3SO₄^2-. Proces koagulacji prowadzimy w reaktorach z mechanicznym mieszaniem (m. kotwicowe, turbinowe, płytowe, hydrauliczne). Mieszanie jest po to, by zdestabilizowane cząstki łatwo się łączyły. Występuje flokulacja. Koagulacja polega na mieszaniu (wolnym lub szybkim), by połączyły się floki: a) dodaje się koagulanta, b) Al(OH)₃ – powstaje po hydrolizie, c) powstałe floki muszą następnie zsedymentować w osadnikach.

9.Flokulacja – połączona z koagulacją, proces tworzenia kłaczka osadu czynnego (kłaczkowanie).

10.Sedymentacja – opadanie dużych cząstek na zasadzie grawitacji na dno zbiornika, oddzielanie ciał stałych od cieczy. Zachodzi w osadnikach. Dane potrzebne do zaprojektowania osadnika: a) średnica cząstki – d_c, b) gęstość cząstki – ς_c, c) współczynnik kształtu – φ=0,95. Najważniejszym parametrem osadnika jest powierzchnia osadnika. W osadniku istotne jest jak wprowadzamy wodę – rozprowadzamy wodę na całej głębokości osadnika. Osadnik poziomy – gdy oczyszczamy dużo. Na końcu osadnika powierzchnia wody jest najczystsza. Osadnik pionowy – lepszy, by woda płynęła do góry.

11.Flotacja – powstają duże cząstki, mają gęstość większą od gęstości wody.

12.Filtracja – do usuwania zawiesin, przez złoże piaskowe. Rodzaje filtracji: a) powolna (niskie prędkości przepływu przez warstwę w granicach 0,1 m/h), b) pośpieszna (prędkość większe niż 7,5m/h). Na początku były filtry powolne (liniowa prędkość przepływu wody) zostały zastąpione przez koagulacje, sedymentacje i filtracje o znacznie większej prędkości. Parametry charakteryzujące filtr: a) jakość odpływu, b) strata ciśnienia. Filtry – podział zależnie co usuwają. Parametry charakteryzujące warstwy filtra: a) średnica miarodajna d₁₀ 9stanowi 10% wagowych próby piasku); b) współczynnik równomierności WR=d₆₀/d₁₀; c) wysokość złoża filtracji H; d) prędkość filtracji v_f; e) prędkość płukania v_pł. Celem filtracji jest zatrzymanie zawiesiny, która jest wynoszona z osadnika. Filtracja daje gwarancje dobrej jakości przepływu. Filtry: a) przestrzeń, nad którą formułuje się warstwa wody jest cały czas na stałym poziomie; b) 20-30 cm warstwy podtrzymującej, która ma większą średnicę ziaren 2-10 mm (grys) niż piasek; c) drenaż to na ogół betonowa płyta, przez którą przechodzą grzybki; d) musi być odpowiednie obciążenie powierzchni filtra, woda musi być równomiernie przepychana przez warstwę; e) gdy zakończy się proces filtracji należy zamknąć odpływ i dopływ i zacząć płukanie. Płukanie: a) następuje dużym strumieniem wody (o dużej objętości), usuwa się małą objętość zawiesin; b) płukanie zależy od cyklu filtracji t_c, np. 6; 12; raz na dobę płukany jest jeden filtr, c) złoże (jego cząstki) jest w ekspansji, gdy płukamy; d) w pierwszym etapie płukania musimy wprowadzić warstwę w ekspansje, by cząsteczki zaczęły wirować i zawiesiny się ścierały. Płuczemy: a) tylko wodą; b) wodą i powietrzem – stosujemy powietrze, by cząstki zawiesiny się oderwały i potem wlewamy wodę, która wypłukuje zawiesiny do koryta i odprowadza rurociągiem, jest to lepsze płukanie. Prędkości filtracji są różne dla różnych złóż, aby sprawdzić czy mamy dobrą ilość filtrów należy sprawdzić v_g<10-15%. W instalacjach domowych stosuje się jeden filtr, a w instalacjach miejskich ca najmniej 4 filtry: a) nie mogą mieć wspólnych ścian; b) jeden rurociąg 200mm do jednego filtra, bo płuczemy 1 filtr. Projektując filtry musimy przyjmować WR, d₁₀, H: a) filtry pośpieszne płukane wodą, WR=1,25-1,75, d₁₀=0,35-0,5mm, H=0,5-0,9m, v_f=5-15m/h, v_pł=20-60m/h; b) filtry pospieszne do usuwania związków Fe i Mn płukane wodą i powietrzem, WR=1,25-1,75, d₁₀=0,5-1mm, H=1-1,5m, v_f=5-15m/h, v_pł=20-60m/h; c) filtry dwuwarstwowe – modyfikacja filtracji jednowarstwowej dodatkowo węgiel aktywny lub antracyt; d₁₀ dla piasku=0,6-1mm, d₁₀ dla antracytu=1-2mm, d₁₀ dla węgla aktywnego=2-4mm, H złoża węglowo-piaskowego: Hpiasku=0,7m i H węgla akt.=0,5m, dla złóż dwuwarstwowych: v_f=10-20m/h, v_pł=30-80m/h, przepływ następuje od góry do dołu, optymalnie byłoby na odwrót; d) filtry kontaktowe – przebiega w nim proces koagulacji.

Dobieranie technologii oczyszczania ścieków:

- parametr: NSO- niezbędny stopień oczyszczania(za wzglądu na jakość odbiornika)

- gdy nie ma odbiornika ruchomego ścieki wprowadza się do gruntu

Gdy zbiornik ma jakąś klasę czystości to wprowadzając ścieki nie możemy doprowadzić do tego aby zbiornik spadł do niższej klasy czystości. Odbiornikiem ścieków oczyszczonych jest zawsze woda powierzchniowa. Ilość ścieków musi być dużo mniejsza niż przepływ odbiornika.

Sprawność oczyszczania ścieków:

= [(S_s-S_d)/S_s]*100%

S_s- stężenie ścieków surowych

S_d- stężenie dopuszczalne

Technologia oczyszczania ścieków:

Wszystkie wody hydrologiczne należy oczyścić przed spożycie, rzeka zasilająca zbiornik powinna być czysta, procesy oczyszczania wody prowadzą do:

• usunięcia domieszek koloidalnych,

• eliminacji bakterii i glonów

• eliminacji związków Fe i Mn

• usuwanie CO₂

• zmiększenie wody do celów przemysłowych

W oczyszczaniu wody należy zastosować dezynfekcję

Historia oczyszczania wody:

Skład wody surowej	Technologie stosowane
Organizmy patogenne	Dezynfekcja, chlorowanie, dwutlenek chloru w wyniku koagulacji, sedymentacji, filtracji eliminuje się te organizmy.
mętność	Cedzenie na sitach, proces sedymentacji, filtracji, koagulacji
Rzeki i zapach wody,	adsorbcja
Substancje organiczne	Adsorpcja, utlenianie
Zmiększenie wody jak jest twarda
Rozpuszczone gazy	Napowietrzanie i procesy chlorowania
Metale ciężkie	Chemiczne strącanie
Substancje mineralne	Odwrócona osmoza, destylacja