Technologia wody - I część egzaminu

1. Scharakteryzuj proces sedymentacji i jego typy.

Sedymentacja - proces rozdzielania ciał stałych od cieczy pod wpływem działania siły ciężkości. Siła ta powoduje opadanie cząstek fazy stałej o gęstości większej od gęstości cieczy.

Typy sedymentacji:

Typ 1: sedymentacja swobodna (dyskretna) zawiesin ziarnistych o niskim stężeniu, występuje, gdy stężenie zawiesin ziarnistych nie przekracza 100 g/m³.

Typ 2: sedymentacja zakłócona zawiesin flokulujących (kłaczkowatych) o niskim stężeniu, lecz z uwzględnieniem aglomeracji cząstek oraz ich kłaczkowania. Proces aglomeracji cząstek wpływa w istotny sposób na proces sedymentacji cząstek, stężenie zawiesin 400-600 g/m³.

Typ 3: sedymentacja strefowa (skupiona) zachodzi przy dużym stężeniu zawiesin kłaczkujących (stężenie zawiesin >1000 g/m³).

Typ 4: sedymentacja skompresowana zachodzi przy zagęszczeniu osadu, który uprzednio uległ już procesowi sedymentacji. Jest połączona ze zjawiskiem uwalniania wody z osadu pod wpływem siły ciężkości. Występuje bardzo duże stężenie zawiesiny oraz silne oddziaływania między cząsteczkami utrudniając sedymentację.

2. Opisz etapy procesu adsorpcji.

Etapy adsorpcji: 1. transport (dyfuzja) cząstek adsorbatu z głębi roztworu do warstwy granicznej roztwór-adsorbent.

2. dyfuzja cząstek przez warstwę graniczną do powierzchni adsorbentu (zewn. transport masy).

3. transport masy w wewn. strukturze ziaren sorbentu z udziałem 2 zjawisk:

a) dyfuzji w porach (w cieczy wypełniającej pory) i dalej adsorpcji na centrach aktywnych;

b) dyfuzji na powierzchni porów (cząsteczki adsorbatu są najpierw adsorbowane, a następnie dyfundują z jednych centrów aktywnych do innych).

3. Porównaj odwróconą osmozę z nanofiltracją.

Odwrócona osmoza (OO) -hiperfiltracja, służy do oddzielenia wody (rozpuszczalnika) od substancji rozpuszczonej o małej masie cząsteczkowej. Separacji ulegają jony jedno- i wielowartościowe oraz małocząsteczkowe związki organiczne. Zastosowanie: odsalanie wód morskich, demineralizacja wody zasilającej kotły parowe, przygotowanie wody ultraczystej. W wyniku procesu OO usuwane są: prawie w 100% jony azotanowe; 99,9% fosfor-31, fosfor-32, kobalt-60, niob-95; 98% cez-134; 90% rad i uran; związki typu jonowego; pestycydy. W następstwie tego procesu dochodzi do transportu rozpuszczalnika przez membranę półprzepuszczalną tzn. przepuszczalną dla rozpuszczalników, Anie dla substancji rozpuszczonych.

Nanofiltracja (NF) -wyodrębniona jest z OO nazywana niskociśnieniową OO. Membrany NF usuwają: jony wielowartościowe, wirusy, bakterie, zanieczyszczenia organiczne o masie molowej >200 g/mol lub o wymiarze ≥ 1nm. Skuteczność separacji jonów zależy od stopnia ich hydratacji. Efekt separacji jonów dwuwartościowych jest ok. 3 razy większy niż jonów jednowartościowych.
4. Opisz warunki prowadzenia procesu koagulacji.

Warunki prowadzenia procesu i jego efektywność: Najczęściej używanymi koagulantami w procesie koagulacji są sole glinu i żelaza. Spośród soli glinu powszechnie stosowany jest siarczan glinowy Al₂(SO₄)^-₃ · 18H₂O, natomiast ze związków żelaza: siarczan żelazawy FeSO₄· 7H₂O, siarczan żelazowy Fe₂(SO₄)₃· 9H₂O oraz chlorek żelazowy FeCl₃ · 6H₂O. Sole tych kationów podczas kilku stopniowej hydrolizy tworzą trudno rozpuszczalne wodorotlenki naładowane dodatnio Me_x(OH)y^(3x-y)+. Wodorotlenki te są zdolne do zobojętniania zanieczyszczeń koloidalnych zawartych w wodzie mających zazwyczaj ładunek ujemny, co prowadzi w konsekwencji do wytworzenia łatwo sedymentującej kłaczkowatej zawiesiny.

Skuteczność koagulacji zależy od:

- odpowiednio dobranego elektrolitu (koagulantu);

- ilości koloidów w wodzie i ich ładunków.

Na przebieg procesu koagulacji ma największy wpływ:

- właściwości wody; - odczyn towarzyszący procesowi koagulacji; - temperatura wody;

- rodzaj i dawka koagulantu; - sposób mieszania wody z koagulantem.
5. Co to jest wskaźnik FIBDM oraz podaj i omów parametry węgla aktywnego.

Wskaźnik FIBDM informuje o zdolności adsorpcji przez węgiel aktywny fenolu (F), jodu (I), błękitu metylenowego (B), laurylosiarczanu sodu (D) oraz melasy (M). Każda z liczb we wskaźniku FIBDM (klasa węgla aktywnego) zawiera się w przedziale od 0 do 9, opisuje względną przydatność adsorbentu do adsorpcji danego adsorbatu wzorcowego.

Parametry węgli aktywnych:

- powierzchnia właściwa;

- gęstość nasypowa (parametr niezbędny do wyznaczania objętości złoża);

- odporność na ścieranie (czynnik bezpośrednio związany z żywotnością granulowanego adsorbentu);

- wielkość ziaren adsorbentu (parametr, od którego zależą spadki ciśnienia w filtrach, sprawność filtracji, częstotliwość płukania złoża oraz szybkość osiągania równowagi adsorpcyjnej);

- zawartość substancji nieorganicznych (popiołu) oraz pH wyciągu wodnego;

- zawartość wilgoci;

- temperatura zapłonu;

- ocena możliwości samozapłonu.

6. Materiały filtracyjne i od czego zależy poprawna filtracja.

Najczęściej stosowanymi materiałami filtracyjnymi są:

- piasek kwarcowy; - węgiel antracytowy; - GWA; - materiały spiekane np. keramzyt;

- materiały kruszone np. granit; - tworzywa sztuczne o gęstości mniejszej niż gęstość wody;

- materiały katalizujące np. dolomit, marmur

Zjawiskiem współdecydującym o efektach filtracji jest przyciąganie usuwanych cząstek do ziaren złoża. Skuteczność tego zjawiska jest wypadkową sił przyciągania i odpychania w głównej mierze zależy od wymiarów i potencjału elektrokinetycznego usuwanych cząstek i ziaren materiału filtracyjnego oraz siły jonowej oczyszczanej wody.
7. Co to jest flokulacja i jak się ją przyspiesza?

Flokulacja to jedna z dwóch faz procesu koagulacji, która trwa dłużej, w wyniku transportu i zderzeń cząstek zdestabilizowanych powstają kłaczki, które są usuwane w procesach sedymentacji/flotacji i filtracji. Flotacja jest procesem łączenia się fazy rozproszonej w większe aglomeraty, które można usunąć w procesie: filtracji, sedymentacji i flotacji. Procesy, które poprzedzają zwykle flokulację: koagulacja, utlenianie koloidu ochronnego, zmiana pH lub temperatury, kontakt ze złożem oraz/lub zastosowanie reagentów wspomagających flokulację. Aby zachodziła flokulacja musi dochodzić do bezpośrednich kontaktów (zderzeń) między cząsteczkami zawieszonymi. Muszą zostać pokonane siły odpychania.

Do zderzeń dochodzi wskutek:

- poruszania się cząsteczek w wodzie na skutek swojej energii termicznej, są to tzw. ruchy Brona - flokulacja perikinetyczna:

- wymuszenia ruchów cząstek w roztworze np. przez mieszanie - flokulacja ortokinetyczna;

- procesu sedymentacji dochodzi do zderzeń cząstek o różnej prędkości opadania, zjawisko wtórne.

Wspomaganie flokulacji polega na obciążeniu powstających kłaczków lub na niszczeniu warstwy koloidów ochronnych utrudniających prawidłowy przebieg destabilizacji i koagulacji. Obciążnikami kłaczków są substancje mineralne:

- glina; - bentonit; - ziemia Fullera; - pył granitowy; - węglan wapnia;

- pył anhydrytowy; - drobno mielony piasek.

Działają one mechanicznie poprzez obciążenie tworzących się kłaczków i poprawę ich właściwości sedymentacyjnych. Stosuje się je w koagulacji wód o niskiej temperaturze, dużej barwie i małej mętności.
8. Chlor w uzdatnianiu wody.

Chlor to utleniacz wstępny środek dezynfekcyjny i ma następujące właściwości:

- niszczenie zoo-i fitoplanktonu bądź w wodzie surowej, bądź rozwijających się w osadnikach czy filtrach;

- wspomaganie flokulacji przez utlenianie materii organicznej zaadsorbowanej na zawiesinach i kolidach;

- usuwanie amoniaku przez chlorowanie do punktu przełamania.

Celem chlorowania dezynfekcyjnego jest przeprowadzenie procesu, tak aby środek dezynfekcyjny pozostał w wodzie, chroniąc ją przed zakażeniami w sieci dystrybucyjnej.

Chlor wchodzi w reakcje ze składnikami wody, ulegając następującym przekształceniom:

-część chloru przereagowuje z organicznymi substancjami obecnymi w wodzie (produkty uboczne -chloroform, kwasy chloro organiczne, chloroketony, chloroaldehydy);

-część chloru zużyta zostanie na utlenienie bromków do HBrO (który dalej może reagować z materią organiczną, dając w efekcie produkty bromo- i chlorobromoorganiczne);

-pozostała część chloru ma znaczenie drezynfekcyjne w sieci dystrybucyjnej -pozostały chlor ogólny. Jest to chlor: +chlor wolny (kwas chlorowy (I) - HClO i jonu tego kwasu-chloranu (I) ClO „potencjalny chlor wolny”,

+chlor związkowy to chlor występuje w formie chloramin organicznych i nieorganicznych.
9. Omówić sposoby wytwarzania ozonu.

Syntezę ozonu przeprowadza się metodą cichych wyładowań w powietrzu lub tlenie, między dwoma elektrodami pod napięciem rzędu 6-20 kV. W celu zapobieżenia wytworzenia się łuku elektrycznego, elektrody pokrywa się dielektrykiem. Gaz wejściowy pozbawiony musi być zanieczyszczeń (krzu, oleju), wilgoci (punkt rosy < -50 ̊C - poniżej 25 ppm.). Wilgoć jest przyczyną wyładowań iskrowych, a te prowadzą do:

- powstawania tlenków azotów i kwasu azotowego 9II),

- rodników hydroksylowych.

Innymi sposobami otrzymywania ozonu są:

- fotochemiczne generowanie - tworzy się z tlenu pod wpływem promieniowania UV o λ<200nm (drogie, od niedawna).

- elektrolityczne generowanie - wymaga niskonapięciowego prądu stałego (drogie, doświadczenia).

- radiochemiczne promieniowanie - naświetlenie tlenu wysokoenergetycznym promieniowaniem γ,β lub neutronami (powstają izotopy cezu, bar i strontu oraz gazowe produkty uboczne, takie jak ksenon, krypton) [niepolecane].
10. Omówić równanie Langmuira.

W modelu Langmuira przyjęte są następujące założenia:

- nie występują oddziaływania między adsorbentem a cząsteczkami adsorbatu;

- na powierzchni adsorbentu jest adsorbowana tylko jedna warstwa (monowarstwa) cząstek adsorbatu;

- ciepło adsorpcji nie zależy od stopnia pokrycia adsorbentu przez adsorbat, a więc powierzchnia adsorbentu jest jednorodna;

- położenie cząsteczek adsorbatu na powierzchni adsorbentu się nie zmienia.

gdzie: a - stała ilość substancji zaadsorbowanej w nasyconej, monomolekularnej warstwie na powierzchni sorbenta, b - stała energii adsorpcji,

C - stężenie substancji rozpuszczonej w roztworze, w stanie równowagi.

y - masa substancji zaadsorbowanej,

m - masa adsorbenta.

11. Charakterystyka filtrów powolnych.

Filtry powolne (filtry biologiczne) podczas filtracji przez złoże filtracyjne zachodzą procesy zarówno fizyczne jak i biologiczne. Wynikiem tych zjawisk jest:

- duży stopień usuwania cząstek stałych;

- rozkład biochemiczny zanieczyszczeń organicznych;

- transformacja niektórych zanieczyszczeń przebiegające z udziałem mikroorganizmów.

Cechą filtracji powolnej jest mała prędkość filtracji wody - ok. 0,1 m/h (0,3 m/h) - 1 do 6 miesięcy.

Materiałem porowatym stanowiącym złoże filtracyjne jest piasek kwarcowy o wysokości 0,7-1,5 m; najczęściej ok.1,0m.

Złoże filtracyjne jest ułożone na żwirowej warstwie podtrzymującej o wysokości 0,45 - 0,6.

Średnica czynna (d₁₀) materiału filtracyjnego wynosi 0,25 - 0,35 mm (0,3 mm, mała mętność wody 0,4 mm). Współczynnik równomierności złoża (WR) wynosi 1,5 - 3,6 (2,0).

Warstwa wody nad złożem ma wysokość 1,0 - 1,5 m.

Złoża filtrów powolnych nie są płukane, ponieważ utraciłyby błonę organiczną.

Czyszczenie polega na usuwaniu 20-40 mm powierzchniowej (górnej) warstwy piasku.

Nie można zmniejszyć wysokości złoża do wartości mniejszej niż 0,6 m.

Po oczyszczeniu filtru wymagany jest tak zwany okres wpracowania złoża, który trwa 2 doby.

Woda odprowadzana jest do kanalizacji.
12. Zalety oczyszczania przez membrany:

- małe zapotrzebowanie na energię, które wynosi połowę do jednej trzeciej energii zużytej w metodzie destylacji;

- małe konstrukcje urządzeń;

- duża elastyczność w zakresie wydajności i efektywności instalacji;

- jednostki o wydajności do 2000 m³/d są łatwe do instalowania i eksploatacji;

- możliwość włączania modułów membranowych do istniejących układów urządzeń do oczyszczania wody;

- usuwanie całej gamy zanieczyszczeń, a nie tylko zmiana ich formy występowania;

- skuteczne usuwanie mikroorganizmów patogennych oraz innych zanieczyszczeń organicznych;

- uzyskiwanie wody o jakości lepszej niż określona w wymaganiach;

- strumień opadowy (retentat) nie zawiera reagentów chemicznych, co ułatwia jego zagospodarowanie.

13. Oczyszczanie wody węglem aktywnym.

Na powierzchni węgla osiedlają się mikroorganizmy oczyszczające wodę na drodze biologicznej.

Do oczyszczania wody używa się:

- pylistego węgla aktywnego (PWA),

- granulowanego węgla aktywnego (GWA) - materiał ziarnisty o nieregularnym kształcie ziaren.

Biologicznie aktywne złoża GWA

Usuwanie organicznych zanieczyszczeń wody na biologicznie aktywnym złożu GWA odbywa się na dwa sposoby:

1. poprzez adsorpcję oraz 2. poprzez biodegradację. W pierwszej fazie eksploatacji filtra przeważa fizyczna adsorpcja zanieczyszczeń, a po rozwinięciu się życia biologicznego - procesy biochemiczne.

Zastosowanie PWA w oczyszczaniu wody

I. Czas kontaktu PWA z adsorbatami obecnymi w oczyszczanej wodzie zależy od jego zdolności pozostawania w zawiesinie.

II. Należy minimalizować możliwość pokrywania powierzchniami PWA koagulantem lub środkami pomocniczymi stosowanymi do uzdatniania wody, przynajmniej w czasie niezbędnym do osiągnięcia równowagi adsorpcyjnej z usuwanymi adsorbatami.

III. Nie należy dozować PWA do wody wraz z chlorem lub innymi środkami, które mogą adsorbować lub z którymi może reagować.
14. Porównać filtr powolny i pospieszny.

Złoża filtrów powolnych nie są płukane, ponieważ utraciłyby błonę organiczną, a złoża pospieszne muszą być płukane.

Oba filtry usuwają zanieczyszczenia organiczne.

Filtracja pospieszna stosowana jest do:

- zatrzymania obecnych w wodzie zawiesin pochodzenia naturalnego bądź wytworzonych w procesie koagulacji lub zmiękczania przez strącenie;

- usuwania z wody związków żelaza i manganu;

- usuwania z wody związków żelaza i manganu w filtrach z ciągłym płukaniem złoża;

- przyspieszania procesu koagulacji i zatrzymywanie produktów koagulacji w złożach tzw. filtrów kontaktowych lub w filtracji bezpośredniej;

- absorbowania wielkocząsteczkowych związków zawartych w wodzie lub jednoczesnego adsorbowania i filtrowania z zastosowaniem złóż filtracyjnych z warstwą węgla aktywnego;

- utleniania azotu amonowego, tzw. filtry suche.

W filtrach pospiesznych woda przepływa przez złoże filtracyjne z góry do dołu (filtry kontaktowe z dołu do góry, filtry dwustrumieniowe woda filtruje się od dołu i od góry do drenażu znajdującego się wewnątrz złoża).

Filtry powolne (filtry biologiczne) podczas filtracji przez złoże filtracyjne zachodzą procesy zarówno fizyczne jak i biologiczne. Wynikiem tych zjawisk jest:

- duży stopień usuwania cząstek stałych;

- rozkład biochemiczny zanieczyszczeń organicznych;

- transformacji niektórych zanieczyszczeń przebiegające z udziałem mikroorganizmów.

Cechą filtracji powolnej jest mała prędkość filtracji wody - ok. 0,1 m/h (0,3 m/h) - 1 do 6 miesięcy.

Materiałem porowatym stanowiącym złoże filtracyjne jest piasek kwarcowy o wysokości 0,7-1,5 m; najczęściej ok.1,0m. Złoże filtracyjne jest ułożone na żwirowej warstwie podtrzymującej o wysokości 0,45 - 0,6.

Średnica czynna (d₁₀) materiału filtracyjnego wynosi 0,25 - 0,35 mm (0,3 mm, mała mętność wody 0,4 mm). Współczynnik równomierności złoża (WR) wynosi 1,5 - 3,6 (2,0).

Warstwa wody nad złożem ma wysokość 1,0 - 1,5 m.

Czyszczenie polega na usuwaniu 20-40 mm powierzchniowej (górnej) warstwy piasku.

Nie można zmniejszyć wysokości złoża do wartości mniejszej niż 0,6 m.

Po oczyszczeniu filtru wymagany jest tak zwany okres wpracowania złoża, który trwa 2 doby.

Woda odprowadzana jest do kanalizacji.

15. Opisać proces nitryfikacji.

Nitryfikacja przebiega w dwóch etapach. Wpeirwszym następuje utlenianie azotu amonowego do azotynów przy udziale bakterii NITROSOMONAS.

W drugim etapie następuje utlenianie azotynów przy udziale bakterii NITROBACTER.

Sumaryczny przebieg procesu nitryfikacji można opisać równaniem:

Rozwój bakterii nitryfikacyjnych jest limitowany stężeniem:

- tlenu; - amoniaku; - ortofosforanów; - zasadowością wody/ścieków.

W praktyce wzrost bakterii nitryfikacyjnych przy stężeniu < od 0,2g O₂/m³ nie zachodzi.

Przy stężeniu ok. 0,5g O₂/m³ obserwuje się wzrost stężenia azotynów, co jest wynikiem ograniczonego wzrostu bakterii NITROBACTER. Przy stężeniu 1,5-2,0g O₂/m³ uzyskuje się szybkość wzrostu bakterii nitryfikacyjnych bliska szybkości maksymalnej.
16. Porównać koagulację kontaktową z objętościową.

Koagulację kontaktową i objętościową prowadzi się w osadnikach kontaktowych.

I. etap to dodanie do oczyszczanej wody koagulantu, całkowite wymieszanie zapewniające jednorodność układu oczyszczania woda-koagulant oraz hydroliza koagulanta. Uzyskuje się to w komorach szybkiego mieszania, a czas 1-3 minut.

II. etap to koagulacja, w której zachodzą zjawiska prowadzące do powstania aglomeratów produktów dysocjacji i hydrolizy koagulantu z usuwanymi zanieczyszczeniami. Różnicą jest to, że koagulacja objętościowa prowadzona jest w komorach wolnego mieszania (flokulacja), zaś koagulacja kontaktowa w warstwie osadu zawieszonego.

17. Zaprojektować stacje uzdatniania wody.

woda z ujęcia brzegowego

↓

O₃→ ozonowanie wstępne

↓

PWA→ koagulacja_{←korekta pH} ^{← koagulanty}

↓

sedymentacja

↓

filtracja pospieszna

|----------------------------------

↓ |

O₃→ ozonowanie pośrednie |

↓ |

sorpcja |

↓ |

O₃→ ozonowanie końcowe |

↓ ↓

NaOCl→ chlorowanie

↓ ↓

Na₂HO₃→

↓ ↓

---