Wydział GiG Rok III IOŚ	Ćwiczenie nr	Rok akademicki	Data wykonania ćwiczenia	Ocena
Imię i nazwisko Bartosz Mysza	Fizykochemiczne oczyszczanie ścieków	2010/2011	14.01.2011

1. Cel ćwiczenia

Badanie procesu koagulacji ścieków przy wykorzystaniu koagulantów.

2. Wstęp teoretyczny

Fizykochemiczne oczyszczanie ścieków jest jednym z etapów oczyszczania ścieków następujących tuż po mechanicznym oczyszczaniu.

Fizykochemiczne metody oczyszczania ścieków - są stosowane coraz częściej w momencie, kiedy w ściekach znajduje się duże ilości zanieczyszczeń, których źródłem jest przemysł. Zanieczyszczenia tego typu często są nierozkładalne na sposób biologiczny, konieczne jest więc zastosowanie metod chemicznych i fizycznych. Metody te polegają na zmianie ich składu.

Wyróżniamy następujące metody fizykochemiczne:

Ekstrakcja-

polega na wydobyciu ze ścieków zanieczyszczeń przez wprowadzenie specjalnych substancji (substancje te nie są rozpuszczalne w wodzie, zaś lepiej rozpuszczają zanieczyszczenia zawarte w ściekach)

Sorpcja-

przyciąganie przez powierzchnię niektórych ciał stałych rozpuszczonych w ściekach substancji lub gazów (jest to usuwanie różnych domieszek znajdujących się w cieczy przy zetknięciu się ścieków z ciałem stałym, np. węglem aktywnym)

Ewaporacja-

polega na przepuszczaniu przez ścieki, ogrzewane do temperatury bliskiej 100 stopni Celsjusza, pary wodnej nasyconej, która porywa ze ścieków lotne domieszki

Koalescencja-

wydzielanie domieszki ciekłej ze ścieków przez zmniejszenie stopnia jej rozdrobnienia (w tym celu wprowadza się substancję stałą nierozpuszczalną, której powierzchnia pokrywa się cząsteczkami zanieczyszczeń; następnie łączą się one wzajemnie i powiększają się w krople - oddzielenie domieszek od wody jest wtedy dość łatwe)

Flotacja-

usuwanie ze ścieków ciał stałych o bardzo mało różniącym się od wody ciężarze właściwym i bardzo trudno opadających; dzięki odkładaniu się na nich drobnych pęcherzyków powietrza, ciała te wypływają na powierzchnię ścieków jako piana; wznoszenie zanieczyszczeń wspomagają środki pianotwórcze

Neutralizacja-

zobojętnienie kwaśnego lub zasadowego odczynu ścieków; polega na wprowadzeniu specjalnych substancji i związków chemicznych lub na zmieszaniu ścieków kwaśnych z zasadowymi

Utlenianie-

wprowadzenie do ścieków związków redukcyjnych (opiłki żelaza, dwutlenek siarki, węgiel, siarkowodór) - w wyniku zachodzących reakcji powstają produkty mniej lub wcale nieszkodliwe.

Koagulacja -

to proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze. Istnieje koagulacja odwracalna i nieodwracalna, a także spontaniczna i wymuszona. W wyniku koagulacji może następować zjawisko żelowania, tworzenia się past i materiałów stałych, sedymentacji lub pokrywania powierzchni mieszaniny warstwą fazy rozproszonej. Typowe struktury koagulacyjne to dyspersje polimerów, niektóre rodzaje farb, tworzywa sztuczne, oraz produkty koagulacji białek, takie jak np. jogurt. Parametrami wody surowej decydującymi o wyborze koagulacji jako jedynego z procesów uzdatniania wody są najczęściej: mętność, barwa, wysoka zawartość rozpuszczonego węgla organicznego. Celem koagulacji jest więc przede wszystkim usuwanie mętności i usuwanie (lub obniżanie) barwy wody.

Koagulacja prowadzi także do wielu innych, korzystnych efektów:
- poprzez usunięcie znacznych ilości węgla organicznego redukuje się zapotrzebowanie wody na chlor lub ozon,
- obniża zwykle potencjał tworzenia trihalometanów (THM),
- usuwanie koloidów prowadzi do usuwania słabo rozpuszczalnych substancji adsorbujących się na tych koloidach (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne WWA lub DDT),
- proces koagulacji prowadzi zwykle do wyraźnego obniżenia stężeń jonów metali ciężkich,
- koagulacja usuwa bakterie i wirusy zaadsorbowane na cząstkach koloidów,
- procesy koagulacji stosowane są do usuwanie fitoplanktonu z wody.

W procesie oczyszczania ścieków za pomocą koagulacji uzyskiwany jest dość znaczny efekt np. redukcja BZT₅ może osiągnąć 85%, a zawiesin do 90%. Z tego względu koagulację określa się jako pośredni stopień między oczyszczaniem mechanicznym a biologicznym. Ujemną stroną tego procesu jest powstawanie dużej ilości osadów, głównie o charakterze nieorganicznym. Koagulacja stosowana jest najczęściej do oczyszczania ścieków przemysłu włókienniczego, garbarskiego, chemicznego i innych, niekiedy jako proces wstępny przed oczyszczaniem biologicznym.

Etapy procesu koagulacji:

Destabilizacja- polega na szybkim mieszaniu podczas którego następuje wyodrębnienie się małych cząstek- koloidów. Dodatkowo powodowane jest to dodaniem chemicznych odczynników nazywanych koagulantami.

Flokulacja - polega na powolnym mieszaniu. Dzięki niemu w ściekach zwiększa się częstotliwość zderzania się ze sobą pojedynczych cząsteczek zawiesiny. Szybciej niż bez mieszania tworzą się drobne cząstki łączą się w większe agregaty, które dzięki zwiększonej masie szybciej opadają na dno wyłapujących je instalacji i mogą być szybciej usunięte ze ścieków.

3. Wykonanie

I. Badanie podstawowych parametrów ścieków.

IA) Oznaczanie zawiesin ogólnych

Z przygotowanej do badania ( dobrze wymieszanej ) odlano 490 cm³ i przesączono przez 4 wysuszone i zważone sączki. Sączki z zawiesiną przeniesiono do suszarki. Z różnicy wag wyliczono początkową zawartość zawiesiny w próbce.

IB) Oznaczanie zasadowości całkowitej

Do 3 kolb stożkowych odmierzono po 50 cm³ badanej wody. Następnie dodano 3 krople oranżu metylowego. Obserwowano zmianę barwy. W przypadku, gdy próbka zabarwiła się na kolor żółty, należało rozpocząć miareczkowanie 0,1M HCl, aż do momentu zmiany koloru żółtego na pomarańczowy.

IC) Oznaczanie kwasowości ogólnej

Do 3 kolb stożkowej odmierzono po 50 cm³ badanej wody. Następnie dodano 5 kropli fenoloftaleiny. Miareczkowano 0,1M NaOH, aż do uzyskania różowego zabarwienia, nieznikającego przynajmniej przez 3 min.

ID) Pomiar pH

Pomiaru dokonano za pomocą pehametru. W próbce z wodą umieszczano czujnik pehametru, włączano i spisywano wyświetlony wynik

II) Przeprowadzenie procesu koagulacji oraz wizualna obserwacja przebiegu koagulacji.

Do przygotowanych 2 zlewek z próbką odmierzono pipetą optymalne dawki koagulantu. Odpowiednio do pierwszej:10 cm³ 1% roztworu 10 % FeSO₄
7H₂O z wodą i 10 cm³ 1% roztworu 5% FeCl₃ z wodą oraz 5cm³ 1% roztworu 10 % FeSO₄
7H₂O z wodą i 5cm³ 1% roztworu 5% FeCl₃ z wodą. Następnie rozpoczęto szybkie mieszanie. Po zakończeniu szybkiego mieszania zmniejszono obroty i kontynuowano mieszanie przez 30 min, przez co usprawniono proces flokulacji. Po tym czasie zatrzymano mieszadło, a następnie w próbce zaszedł proces sedymentacji.

III) Badanie podstawowych parametrów ścieków po mieszaniu.

Po zakończeniu mieszania pobrano próbki po 50 cm³ z obydwu zlewek i oznaczono pH oraz zawartość zawiesin ogólnych.

VI) Badanie podstawowych parametrów ścieków po sedymentacji.

Po odstaniu pobrano próbki po 300 cm³ z każdej ze zlewek i oznaczono w nich kwasowość i zasadowość oraz odczyn pH.

4. ZESTAWIENIE I OPRACOWANIE WYNIKÓW

I. Badanie podstawowych parametrów ścieków:

IA) Oznaczanie zawiesin ogólnych

Do badania przygotowano 4 sączki o masie:

sączek 1 - 1,080 g

sączek 2 - 1,065 g

sączek 3 - 1,050 g

sączek 4 - 1,039 g

Z przygotowanej próbki odlano 490 cm³ i przesączono przez 4 wysuszone i zważone wcześniej sączki. Sączki z zawiesiną przeniesiono do suszarki.

Masa sączków po wysuszeniu:

- 1,311 g

- 1,378 g

- 1,443 g

- 1,208 g

Po wysuszeniu oznaczono zawartość zawiesiny ogólnej, którą wyliczono na podstawie różnicy wag.

IB) Oznaczanie zasadowości całkowitej

Po nadaniu 3 kropel oranżu metylowego 50 cm³ wody; woda zabarwiła się żółto. Wynika z tego, że próbkę należy poddać miareczkowaniu

- próbka I : brak wyniku, próbka została przemiareczkowana,

- próbka II : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na pomarańczowo po nadaniu 0,7 cm³ 0,1M HCl

- próbka III : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na pomarańczowo po nadaniu 0,7 cm³ 0,1M HCl

[
]

[
]

[
]

gdzie:

b - średnia objętość 0,1 M HCl użyta do miareczkowania wody badanej [cm³],

V - objętość próbki wody użytej do oznaczania [cm³],

IC) Oznaczenie kwasowości ogólnej

Po nadaniu 5 kropli fenoloftaleiny miareczkowano, aż do zmiany zabarwienia na słabo różowy, który będzie się utrzymywał przynajmniej 3 minuty.

- próbka I : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na żółto po nadaniu 1,3 cm³ 0,1M NaOH,

- próbka II : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na żółto po nadaniu 1,2 cm³ 0,1M NaOH,

- próbka III : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na żółto po nadaniu 1,3 cm³ 0,1M NaOH,

[
]

[
]

[
]

gdzie:

a - średnia objętość 0,1 M NaOH użyta do miareczkowania wody badanej [cm³],

V - objętość próbki wody użytej do oznaczania [cm³],

ID) Pomiar pH

odczyn badanej próbki wynosi pH = 7,67

II) Przeprowadzenie procesu koagulacji oraz wizualna obserwacja przebiegu koagulacji.

Do przygotowanych 2 zlewek z próbką ścieków odmierzono pipetą optymalne dawki koagulantu. Odpowiednio 10 cm³ 1% roztworu 10 % FeSO₄
7H₂O z wodą i 10 cm³ 1% roztworu 5% FeCl₃ z wodą oraz 5cm³ 1% roztworu 10 % FeSO₄
7H₂O z wodą i 5cm³ 1% roztworu 5% FeCl₃ z wodą. Dawki koagulantu wyliczono za pomocą proporcji:

10 cm³
10 %

x
1 %

x =
cm³

Z 10% siedmiokrotnie uwodnionego siarczanu (VI) żelaza (II) tj: FeSO₄
7H₂O stworzono 1% roztwór z wodą o objętości 10 cm³ w którym dawka koagulantu wynosiła 1 cm³.

Następnie tak samo wyliczono kolejne dawki koagulantu które wynosiły odpowiednio:

- 2 cm³ dla objętości 10 cm³ 1% roztworu 5% FeCl₃ z wodą,

- 0,5 cm³ dla objętości 5 cm³ 1% roztworu 10% FeSO₄
7H₂O z wodą,

- 1 cm³ dla objętości 5 cm³ 1% roztworu 5% FeCl₃ z wodą

Po dodaniu dawek koagulantu w roztworze wodnym do 2 próbek ścieku (odpowiednio do pierwszej dawek o obj. 10cm³ a do drugiej 5cm³) rozpoczęto szybkie mieszanie. Po zakończeniu szybkiego mieszania zmniejszono obroty i kontynuowano mieszanie przez 30 min, przez co usprawniono proces flokulacji. Po tym czasie zatrzymano mieszadło, a następnie w próbce zaszedł proces sedymentacji.

Na podstawie obserwacji danego procesu stworzono tabelę z odpowiednimi oznaczeniami w jego kolejnych fazach:

Tabela 1. Rodzaj i dawka zastosowanego koagulantu

Szybkie mieszanie	Czas wolnego mieszania [min]						Czas osadzania
		1	5	10	15	20	30	15	30
2 10 cm^3	+	+	+	++	++	++	++	+	---
2 5 cm^3	+	+	+	+	+	+	+	+	---

III) Badanie podstawowych parametrów ścieków po mieszaniu

I. Odczyn pH.

odczyn badanych próbek wynosi odpowiednio:

- dla próbki 2
10 cm³ pH = 5,24

- dla próbki 2
5 cm³ pH = 6,37

2. Zawartość zawiesin ogólnych

Do badania przygotowano 2 sączki o masie:

sączek 1 - 1,043 g - dla próbki 2
5 cm³

sączek 2 - 1,080 g - dla próbki 2
10 cm³

Każdą z próbek o obj. 50 cm³ przesączono przez 2 wysuszone i zważone wcześniej sączki. Sączki z zawiesiną przeniesiono do suszarki.

Masa sączków po wysuszeniu:

- sączek 1 - 1,095 g - dla próbki 2
5 cm³

- sączek 2 - 1,149 g - dla próbki 2
10 cm³

VI) Badanie podstawowych parametrów ścieków po sedymentacji.

- dla próbki 2
10 cm³

1.1. Oznaczanie zasadowości całkowitej

Po nadaniu 3 kropel oranżu metylowego do 50 cm³próbki; zabarwiła się ona na żółto. Wynika z tego, że próbkę należy poddać miareczkowaniu

- próbka I : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na pomarańczowo po nadaniu 0,5 cm³ 0,1M HCl

- próbka II : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na pomarańczowo po nadaniu 0,3 cm³ 0,1M HCl

- próbka III : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na pomarańczowo po nadaniu 0,3 cm³ 0,1M HCl

[
]

[
]

[
]

gdzie:

b - średnia objętość 0,1 M HCl użyta do miareczkowania wody badanej [cm³],

V - objętość próbki wody użytej do oznaczania [cm³],

1.2. Oznaczenie kwasowości ogólnej

Po nadaniu 5 kropli fenoloftaleiny miareczkowano, aż do zmiany zabarwienia na słabo różowy, który będzie się utrzymywał przynajmniej 3 minuty.

- próbka I : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na żółto po nadaniu 2,2 cm³ 0,1M NaOH,

- próbka II : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na żółto po nadaniu 2,4 cm³ 0,1M NaOH,

- próbka II : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na żółto po nadaniu 2,5 cm³ 0,1M NaOH,

[
]

[
]

[
]

gdzie:

a - średnia objętość 0,1 M NaOH użyta do miareczkowania wody badanej [cm³],

V - objętość próbki wody użytej do oznaczania [cm³],

I.3. Odczyn pH

odczyn badanej próbki wynosi pH = 5,42

- dla próbki 2
5 cm³

1.1. Oznaczanie zasadowości całkowitej

Po nadaniu 3 kropel oranżu metylowego do 50 cm³próbki; zabarwiła się ona na żółto. Wynika z tego, że próbkę należy poddać miareczkowaniu

- próbka I : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na pomarańczowo po nadaniu 0,4 cm³ 0,1M HCl

- próbka II : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na pomarańczowo po nadaniu 0,4 cm³ 0,1M HCl

- próbka III : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na pomarańczowo po nadaniu 0,4 cm³ 0,1M HCl

[
]

[
]

[
]

gdzie:

b - średnia objętość 0,1 M HCl użyta do miareczkowania wody badanej [cm³],

V - objętość próbki wody użytej do oznaczania [cm³],

1.2. Oznaczenie kwasowości ogólnej

Po nadaniu 5 kropli fenoloftaleiny miareczkowano, aż do zmiany zabarwienia na słabo różowy, który będzie się utrzymywał przynajmniej 3 minuty.

- próbka I : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na żółto po nadaniu 1,9 cm³ 0,1M NaOH,

- próbka II : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na żółto po nadaniu 1,9 cm³ 0,1M NaOH,

- próbka II : dla 50 cm³ (ml) zabarwiła się na żółto po nadaniu 2,0 cm³ 0,1M NaOH,

[
]

[
]

[
]

gdzie:

a - średnia objętość 0,1 M NaOH użyta do miareczkowania wody badanej [cm³],

V - objętość próbki wody użytej do oznaczania [cm³],

I.3. Odczyn pH

odczyn badanej próbki wynosi pH = 6,59

Tabela 2. Zbiorcze zestawienie wyników

Oznaczenie	Ścieki surowe	Ścieki po mieszaniu
				2 5 cm^3	2 10 cm^3
Sączek z osadem [g]	1,311 /1,378 /1,443 /1,208	1,095	1,149
Sączek [g]	1,080 /1,065 /1,050 /1,039	1,043	1,080
Osad [g]	1,1052	0,0520	0,0690

Oznaczenie	Jednostki	Ścieki surowe	Ścieki po mieszaniu		Ścieki po sedymentacji
						2 10 cm^3	2 5 cm^3	2 10 cm^3	2 5 cm^3
Odczyn	pH	7,67	5,24	6,37	5,42	6,59
Zawartość zawiesiny og	mg/dm^3	2255,51	1040,00	1380,00	---	---
zasadowość całkowita	mval/dm^3	1,40	---	---	0,74	0,80
kwasowość ogólna	mval/dm^3	2,47	---	---	4,74	3,87

5. WNIOSKI

Wprowadzenie procesu koagulacji czyli fizykochemicznego oczyszczania ścieków pozwoliło zobaczyć i zbadać skuteczność tego rodzaju oczyszczania ścieków.

Dzięki użyciu koagulantów proces opadania cząsteczek stałych w ściekach zwiększył się znacząco dzięki temu, że mniejsze cząsteczki łączyły się w większe agregaty i szybciej opadały na dno naczynia.

Przy oznaczeniu zawiesin jest zauważalny znaczny spadek wartości. W ściekach surowych wynosiła ona 2255,51 mg/dm³,po mieszaniu natomiast spadła do 1040 mg/dm³ i 1380 mg/dm³. Zmiana ta była spowodowana czasem, w którym następowały badania. Wartość zasadowości zmniejszyła się po dodaniu koagulantów. W ściekach surowych wynosiła ona 1,40 mval/ dm³ , natomiast w próbce po sedymentacji 0,74 mval/ dm³ i 0,8 mval/ dm³. Dość znaczna jest również zmiana kwasowości, aczkolwiek jest ona przeciwna niż w zasadowości. Największą kwasowość oznaczono przy badaniu ścieków zawierających koagulanty, a najmniejszą przy badaniu ścieków surowych. Wpływ na tę wartość miała również sedymentacja, która przyczyniła się do niewielkiego zwiększenia tej wartości.

Po dodaniu koagulantów do badanej próbki w ściekach zachodzą następujące reakcje:

• Utleniania chlorem zwiększające zakres działania FeSO₄

6 FeSO₄ + 3Cl₂ -> 2Fe₂(SO4)₃ + 2FeCl₃

• Koagulacja wywołana wodorotlenkiem metalu. Przy pH powyżej 8,5 koagulant jest utleniany tlenem zawartym w wodzie do Fe(OH)₃

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O -> Fe(OH)₃

• Reakcja soli z wodą w wyniku której powstaje wodorotlenek i kwas np.

FeSO₄ + 2H₂O -> Fe(OH)₂ + H₂SO₄

Porównując zastosowane dawki koagulantów (2
5 cm³; 2
10 cm³) zauważano, że przy użyciu dawki o większej objętości:

- zawartość zawiesiny ogólnej była mniejsza,

- zasadowość całkowita jest mniejsza, natomiast nastąpił wzrost kwasowości ogólnej,

- pH jest bardziej kwaśny zarówno w próbce ścieków po mieszaniu jak i po sedymentacji,

Po procesie koagulacji próbki są klarowne. Proces ten jest często stosowaną metodą w oczyszczaniu ścieków.

---