Sedymentacja
Sedymentacja – proces usuwania z wody cząstek zawiesin na zasadzie opadania pod wplywem sił ciężkości. (opadanie grawitacyjne)
Opadanie cząstek zalezy od gęstości właściwej i ich stężenia
Wartość gęstości wł.: p g/cm3
Woda t= 40 C 1T<40 i t>40 <1
‘Zawiesiny w wodach naturalnych:
(org. I nieorganiczne) 1,05 – 3,5
Cząstki mineralne
Glina 1,8 – 2,2
Piasek kwarcowy (SiO2)
Wodorotlenki z koagulantów : p g/cm^3
Al(OH)31,002
Al(OH)3 przy dawce 25 g/m^31,004
Al(OH)3 1000g/m3 1,07
FE(OH)3 1,0092
Cząstki zawiesin bezpostaciowych (po koagulacji i flokulacji) opadają w sposób skupiony (skrępowany)
Cząstki czasem nawzajem łączą się, czyli drobniejsze mogą opadać z prędkością cząstek większych.
Prędkość opadania są małe i można je wyznaczyć tylko doświadczalnie.
Cząstki ziarniste opadają indywidualnie, bez łączenia się ze sobą.
Są to cząstki gliny, piasku kwarcowego i innych minerałów.
Jest to tzw. Opadanie swobodne
Prędkość opadania ( wzór Stokes’a):
$\text{Vs} = \frac{(\text{ps} - p)}{18u}$gd2
Ps, p - gęstość wł. Fazy stałej i wody
d- średnica cząstek
µ - lepkość dynamiczna
Budowa osadnika
1.Komora wlotowa – dopływ wody
2.Część przepływowa – sedymentacyjna
3.Komora osadowa – magazynowanie i zagęszczanie osadu
4.System zbiorczy – odpływ wody
5.Wyposażenie – zgarniacz osadu
Podział osadników
W zależności od kształtu: Prostokątne, Kołowe
W zależności od przepływu:
1.O przepływie poziomym
Podłużne, Radialne
2. O przepływie pionowym :Z komorą wodoskrętną do koagulacji
3.O przepływie ukośnym: Wielostrumieniowe (typu Lamella)
Podstawowe wielkości projektowe osadników
Prędkośći opadania zawiesin w wodzie (10oC):
- mineralnych glina/piasek kw.D 0,1 mm, vO 4,6 mm/s;;; D 0,2 mm vO 14,5
- mętnej bez koagulacjiVO 0,12 – 0,15
- po koagulacji i flokulacji vO 05 – 0,6
- po koagulacji z flokulantem i wapnem VO max 0,8 – 1,2 „”
Stężenie zawiesiny:
Początkowe Cp
Końcowe (w odpływie) CO 10-20 g/m^3
Wydajność usuwania zawiesiny
η= (Cp – Co)/Cp
Wydajność obliczeniowa osadnika
$Q\text{obl} = Qu\lbrack 1 + \frac{Cp - Co}{C\text{os} - C}\rbrack$
Czas przepływu wody w osadniku
Tp= 1,5 - 2,5 (4) h
Objętość osadnika
V= Qobl tp
Objętość komory osadowej
VOS = Qobl (Cp-Co) T/Cos
Zagęszczanie osadu w komorze osadowej
Stęzenie osadu zagęszczonego
Cos 6000 – 40000 g/m3
Czas zagęszczania osadu w komorze osadowej T 3-24h
Podstawy obliczeń projektowanych osadników
Obliczanie osadników podłużnych
Powierzchnia w planie $F = \alpha\frac{Q}{V0}$
Q – natężenie przepływu wody Vo – prędkość opadania zawiesiny α – sprawność osadnika
Długość L= α k H (40 – 60 m)
Szerokość B = 3 - 6 m $k = \frac{V}{V0}$
- współczynnik prędkości 7,5 – 13,5 α – sprawność 1,5 – 2,5
V – prędkość przepływu
H – głębokość osadnika (2 – 4 m)
Szerokoćś osadnika $B = \frac{Q}{\text{HV}}$
Powierzchnia w planie – osadniki radialne: $F = \frac{Q}{\text{qh}}$ Qh< 4m3/m2h (qh = 1,8 – 2,8 m3/m2h)
Średnice
-Osadnika D < 60 m
-Komory dopływowej dk 1-2 m
Głębokość wody: 1,5 – 2,5 (4)m
Nachylenie dna 2 – 5 %
Osadniki kontaktowe – klarowniki:
-kl. o przepływie jednostajnym (korytarzowe)
-kl. z komorą zmieszaną – akcelatory
-kl. o przepływie pulsacyjnym, tzw. Pulsatory
-kl. o przepływie falującym
-klarowniki ze zgarniaczem mechanicznym
-klarowniki akcelatory – z cyrkulacją osadu
-klarownik cyrkulator
Wysokość jest zdeterminowana:
warstwą zawieszonego osadu 2-2,5m
strefą ochronną w części sklarowanej 1 – 1,5 m.
Woda dopływająca musi być odpowietrzona. (Na doprowadzeniu powinien znajdować się odpowietrznik).
Zmiękczanie wody metodami strącania
Twardość wody jest spowodowana jonami:
Wapnia Ca2+; Magnezu Mg2+ (żelaza i manganu)
Cechy twardości:
Nadmierne zużycie środków piorących, wytracanie mydeł w postaci soli Ca i Mg, trudno rozpuszczalnych w wodzie
Wydzielanie osadów w postaci tzw. Kamienia kotłowego
Rodzaje twardości wody
Twardość węglanowa – tw:
Ca(HCO3)2,Mg(HCO3)2
Twardość niewęglanowa (stała) – tnw:
Cacl2, CaSO4, MgCl2, MgSO4
Twardość ogólna: to= tw + tnw
Relacje twardości i zasadowość
Jeśli:
To > zas „m”, występuje tw i tnw
Wtedy tw= zas „m”, tnw= to - tw
To < zas. „m” , występuje tylko tw
Wtedy to= tw, zas „alk” = zas”m” - to
To = zas „m”, występuje tylko tw
Podział wód pod względem twardości
on
Miękkie 5 – 10
Średnio Twarde 10 – 15
Twarde 15 – 30
Bardzo twarde > 30
METODY USUWANIA TWARDOŚCI WODY ZA POMOCĄ STRĄCANIA
Usuwanie twardości węglanowej wapnem
Ca2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O pH < 8,5
Ca(HCO30)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O pH > 9 ( 10 – 15,5)
MgHCO3)2 + 2Ca(OH)2 = Mg(OH)+2+ + 2CaCO3 + 2H2O pH> 10,5 ( 11 – 11,5)
MgHCO3)2 + Ca(OH)2 = MgCO3 + CaCO3 + 2H2O
MgCO3 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCO3 + H2O
Węglan wapnia CaCO3 i wodorotlenek magnezu sątrudno rozpuszczalne.
Rozpuszczalność w 200C :
CaCO3 31 mg\dm3
Mg(OH)2 9mg/dm3
MgCO3 70 mg\dm
USUWANIE TWARDOŚCI WODY ZA POMOCĄ WAPNA WYKONUJE SIĘ RÓWNIEŻ W CELU USUNIĘCIA WODOROWĘGLANÓW – JEST TO PROCES DEKARBONIZACJI WODY.
Wapno nie usuwa twardości stałej. Do usunięcia twardości niewęglanowej – stałej stosuje się sode – ( węglad sodu – Na2CO3):
CaSO4 + Na2CO2 = CaCO3 + Na2SO4
CaCL2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl
Dekarbonizację wody można wykonać za pomocą wodorotlenku sodu:
CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2o
Ca(HCO3)2 + NaOH = CaCO3 + NA2CO3 + 2 H2o
Reakcja wtórna:
CaSO4 + Na2CO3 = CaSO3 + Na2So4
Powstające sole Na2So4 wzbogacają wodę w jony Na+, co nie jest korzystne
Procesy dodatkowe
-usuwanie żelaza
FeSO4+2Ca(OH)2+0,5O2+H2O=CaSO4+Fe(OH)3
Utlenianie Fe2+ z utworzeniem wodorotlenku FE(III) trudno rozp. W środowisku silnie zasadowym
-usuwanie fosforanów
3Ca(HO)2 + NAH2PO4 > Ca3(PO4)2+4H2O+NaOH
Z utworzeniem b. trudno rozp. Fosforanu Ca
-usuwanie metali
2Na2CO3+6NaOH+5Zn2+=Zn5(OH3)2(OH)6+10Na+
Na2CO3+2NaOH+2Cu2+=Cu2(CO3)(OH)2+4Na+
2Na2CO3+6NaOH+5Ni2+=Ni5(CO3)2(OH)6+10 Na+
Z utworzeniem b. trudno rozp. Soli kompleksowych (odzysk metali)
Zapotrzebowanie wapna:
DCaO= 28 (tw + CO2w) g CaO/m3
Podatność wody na zmiękczanie jest określona resztkową wartością twardości pozostałej
Zasadowość m<0,6 val/m3 - podatna
0,6 – 0,9„” - średnio podatna
>0,9 „” - mało podatna
na dekarbonizacje wapnem
Zapotrzebowanie sody:
D= 53 (to – tw) g Na2CO3/m3
Powstające sole sodu jako produkty uboczne reakcji np Na2SO4 wzbogacają wodę w jony Na+, co nie jest korzystne.
Zapotrzebowanie wodorotlenku spodu:
D = 40(tw + twMg + CO2w) g Na2CO3/ m3
Powstające sole sodu jako produkty uboczne reakcji np Na2SO4 wzbogacają wodę w jony Na+, co nie jest korzystne.
Warunki procesu zmiękczania
W reakcji powstają trudno rozpuszczalne osady.
Szybkość procesu jest zdeterminowana etapem krystalizacji osadu.
Czas reakcji:
-Bez katalizatora 2 – 4 (6) godzin
- Z katalizatorem kontaktowym 5 – 30 minut.
Katalizator kontaktowy (masa kontaktowa)
-Piasek kwarcowy: d 0,25 – 0,5 mm.
Reagenty stosowane w procesie
Wapno:
*Woda wapienna, nasucony roztów CaO w wodzie , 1,33 g\dm3 (10oC)
*Mleko wapienne 5 – 15% mas.
(zawiesina CaO w wodzie 5 – 170 g\dm3
Soda:
*Roztwór wodny (rozpuszczalność w 20oC)
170 g\dm3 Na2CO3 10 H2O
Reagenty stosowane w procesie
Wodorotlenek sodu:
-roztwór (rozp. W 18C 517g\dm3
Fosforany
-roztwory Na3PO4, Na2HPO4, NaH2PO4
Reaktory do zmiękczania:
Reaktory fluidalne, w których masa kontaktowa jest w stanie zawieszonym w strumieniu przepływającej wody.
Kierunek przepływu – od dołu do góry.
Rodzaje reaktorów:
1.Do uzdatniania wód przemysłowych
Reaktory stożkowe VIrbos
- czas przepływu wody tp = 20 – 30 min.
- prędkość ( w części dolnej i górnej)
Vd = 1 m\s, vg = 0,025 m\s
- kąt rozwarcia stożka 30 – 40o
- wysokość do 5m
Osadniki kontaktowe typu akcelator, z cyrkulacją osadu
*Czas przepływu ok.. 30min.
*Średnice 2 – 20 m
*Przepływy wody do 10 – 1200 m3/h
2.Do zmiękczania wody do picia
Reaktory pelletowe – stosowane do częściowego zmiękczania wody (ok. 50%)
*Czas przepływu wody tp ok. 2 – 5 min.
*Prędkość 50 – 120 m/h
*Wysokość 5 – 6 m
*Średnica 0,5 – 4 m
Dezynfekcja wody
Wody powierzchniowe i płytkie wody, podziemne są często skażone biologiczne. Skażenie wody powodują: wirusy, bakterie i ich formy przetrwalnikowe oraz pasożyty i organizmy wyższe. Przykłady patogennych( chorobotwórczych) czynników biologicznych w wodach: legionella pneumoplilia, bardia lamblia, campytobacter jejuni, crystoporidium par cum(pierwotniaki), hepaty A i E(wirusy)
Wymagania mikrobiologiczne wody do spożycia przez ludzi:
1. Escherichia coli 0/100cm3
2.Enterokoki 0/100cm3
3.Bakterie grupy coli 0/100cm3
4.Clostridum perfingeus 0/100cm3
5. Ogólna liczba mikroorganizmów: 36oC=50/1cm3; 22oC-100/1cm3
Cel dezynfekcji:
-zniszczenie żywych i przetrwalnikowych form organizmów patogennych
-zapobieganie ich wtórnemu rozwojowi w sieci wodociągowej
Metody dezynfekcji:
-chemiczne – dodawanie do wody silnych utleniaczy i zapewnienie odpowiedniego czasu kontaktu reakcji
Działanie dezynfekantu polega na utlenianiu substancji organicznej i mikroorganizmów. Siła dezynfekcyjna jest tym większa im wyższy jest potencjał redox. Cząsteczki utleniacza muszą przenikać przez błonę komórkową do wewnątrz struktury organizmów.
Podstawowe środki chemiczne:
-chlor (Cl2) i jego związki
-podchloryn (chloran I )sodu NaClO
-dwutlenek chloru ClO2
-chloraminy – NH2Cl, NHCl2
-ozon O3
Zdolność dezynfekcyjna: ozon > dwutlenek chloru > chlor wolny > podchloryn sodu > chloraminy
Stabilność (trwałość środka) i czas efektywnego działania dezynfekcyjnego: choraminy > dwutlenek chloru > chlor wolny > podchloryn sodu > ozon.
Chlor-gaz
Rozpuszczalność w wodzie 7,3g Cl/dm3
Roztwór roboczy woda chlorowa 3g/dm3
Dawki: niskie-0,5-1; średnie 1-2; duże >2 (10-12 g/m3)
Podchloryn sodu NaCl –roztwór
-handlowy 15% (150 g/dm3 Cl2 czynnego)
-roboczy 3%
Działanie dezynfekcyjne jest spowodowane cząsteczką HClO kwasu chlorowego(I):
Cl2+H2O=HClO+HCl
NaClO+H2O=HClO+NaOH
Posiada on zdolność przenikania przez błonę komórkową i destrukcji komórkowej.
Zdolność dezynfekcyjna: Cl2 > HClO > ClO-
Występowanie: Cl2 pH<2; HClO(nie zdysocjowany) pH 2-5; HClO i ClO pH > 5
Chlor i podchloryn sodu powodują powstawanie produktów ubocznych o właściwościach rakotwórczych:
ChZO – chlorowane związki organiczne (zw. Chloro-organiczne)
THM – tribalometanów (np. CHCl3)
Obecność substancji organicznych wyklucza możliwość stosowania Cl2 i NaClO do dezynfekcji. Woda może być dezynfekowana po usunięciu THM i ChZO.
Dwutlenek chloru ClO2 – gaz bardzo nietrwały i wybucha. Rozpuszczalność w wodzie 8g/dm3; roztwór roboczy 3%; dawki to 0,5 g/m3.
Chloraminy
mono-chloramina NH2Cl
di chloramina NHCl2
tri chloramina NCl3
Zdolność dezynfekcyjna: NH2Cl > NHCl2 > NCl3
Efekt przedłużonego działania na slirtek powolnego uwalniania chloru podczas hydrolizy.
Ozon O3-gaz, bardzo nietrwały, słabo rozpuszczalny w wodzie. Jeden z najsilniejszych utleniaczy i środków dezynfekcyjnych. Dawki ozony 0,5-2 g/m3. Wytwarzany z tlenu przy udziale wysokiego napięcia Ɛ-10kV w wyniku tzw cichych wyładowań 3O22O3 Jest rozpraszany w wodzie w postaci drobnych pęcherzyków i kontaktowany z wodą w czasie 5-15(20 min) w zbiornikach przepływowych.
Metody fizyczne
Najszybsze zastosowanie ma promieniowanie UV
UV-A 320-400nm; UV-B 280-320nm; UV-C 200-280nm
Najsilniej niszczy mikroorganizmy promieniowanie λ254nm
Źródłem promieniowania są lampy rtęciowe lub organowe tzw. Promienniki UV. Energia UV niszczy organizmy żywe powodując destrukcje białka DNA wchodzącego w ich skład.
Dawki promieniowania niezbędne do uzyskania 90% zniszczeń mikroorganizmów:
Bakterie 1-20; drożdże 2-100; grzyby 5-150; pierwotniaki 60-100; glony 300-600 [mg/cm2]
Dawki minimalne stosowane do dezynfekcji: woda do picia 40 mJ/cm2; woda produkcyjna w przemyśle spożywczym 75mJ/cm2; woda do celów specjalnych w przemyśle farmaceutycznym >100 mJ/cm2.
Metody uzdatniania wody
1. Woda powinna być bezpieczna dla zdrowia nie może zawierać mikroorganizmów chorobotwórczych i pasożytów w liczbie stanowiącej zagrożenie dla zdrowia oraz bakterii wskaźnikowych i substancji chemicznych w liczbie lub stężeniu przekraczającym wartości okreslane w załącznikach.
2. Woda do spożycia musi być czysta bakteriologicznie
-pozbawiona bakterii kałowych, escherichia coli, grupy coli, eliterokoków i clostridium 0/100cm3.
Dopuszczalna jest w wodzie liczba bakterii: w 36oC 48h-80/1cm3; w 22oC 24h – 100/1cm3
3. Upragania fizykochemiczne (wybrane parametry):
Barwa: max 15mg/l Pt; Mętność: max 1NTU; pH:6,5-9,5: smak akceptowalny; zapach akceptowalny; OWO max 5mg/l (ogólny węgiel organiczny)
a) substancje nieorganiczne [max mg/dm3]
chlorki 250; siarczany 250; sód200; mangan 0,05; żelazo 0,2; chlor wolny 0,3; magnez 30-125; twardość 60-500(CaCO3); anolidu NH4+/NH3 0,5.
4. Wody podziemne
- problem podstawowy: usuwanie żelaza i manganu, rozpuszczonego dwutlenku węgla, niekiedy również barwy naturalnej (sub. organiczne)
-jeśli podczas uzdatniania następuje zakażenie wody niezbędna jest dezynfekcja
5. Przykłady procesu uzdatniania wody podziemnej:
-ujęcie wody za pomocą studni
-uzdatnienie: napowietrzanie i filtracja, celem pH odkwaszanie wody i usunięcie Fe i Mn
-utlenienie substancji organicznych stosuje O3, ClO2, i uzupełnia filtracją na węglu aktywnym
-w niektórych przypadkach jest konieczna filtracja na specjalne dobory złoża np. piasek kwarcowy+katalizator(I) lub masa alkaliczna(niekiedy II stopnia)
-dezynfekcja końcowa (Cl2, ClO2, NaClO) ponieważ napowietrzanie często powodują zakażenie bakteriologiczne („ otwarcie ukł uzdatniania wody”)
6. Wody podziemne
a) odżelazianie i odmanganianie * napowietrzanie i filtracja ciśnieniowa ( desorpcja CO2 odkwaszanie)
I etap hydrolizy
Fe(HCO3)2+2H2O <-> Fe(OH)2+2H2O+2CO2
Mn(HCO3)2+2H2O <-> Mn(OH)2+2H2O+2CO2
MnSO4+2H2O<-> Mn(OH2)+H2SO4
MnCl2+2H2O<-> Mn(OH2)+2HCl
b) odkwaszanie wody: alkalizacja wapnem do pH 8,3-8,5
2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O
H2SO4+ Ca(OH)2=CaSO4+2H2O
Filtracja na kwasach alkaicznych- prażony dolomit rego x CaClO3 i CaO3
MgO+CO2agr+H2O=Mg(HCO3)2
CaCO3+CO2agr+H2O= Ca(HCO3)2
MgO+H2SO4=MgSO4+H2O
CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O
II etap utlenianie (pH>7) wytrącanie osadów wodorotlenków
4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3(s)
2Mn(OH)2+O22Mn(OH)2(s)
2Mn(OH)2+O22MnO2(s)+2H2O
III etap filtracja usunięcie wytrąconych osadów
7. Rozpuszczalność produktów utleniania związków żelaza i manganu
Fe(OH)2 0,67 mg/dm3(dobry rozp); Fe(OH)3 0,043*10-3 trudno; MnO(OH)2, MnO2 trudno rozpuszczalne.
8. Wody powierzchniowe
Problem: usuwanie mętności, barwy substancji organicznej pochodzenia naturalnego i nadanie wodzie odpowiednich właściwości organoleptycznych i czynników bakteriologicznych.
1) koagulacja wspomagana wapnem lub uzupełniana utleniaczem
2) sedymentacja w osadnikach lub filtrach
3) filtracja pośpieszna na piasku kwarcowym niekiedy z użyciem węgla aktywnego w ostatnim stopniu
4) dezynfekcja
9. Przykłady procesu uzdatniania wody powierzchniowej
-ujęcie wody z rzeki niekiedy filtracja wstepna na filtrach pośpiesznych (i utleniacze ClO2, O3)
-koagulacja objętościowa siarczanem glinu( wspomagana wapnem i pylistym węglem aktywnym)
-sedymentacja w osadnikach przepływowych
-utlenianie chemiczne(O3, ClO2)
-filtracja na filtrach pośpiesznych ( z piaskiem kwarcowym)
-filtracja na węglu aktywnym w filtrach pośpiesznych (poprzedzana procesem utleniania O3, H2SO2, UV)
-dezynfekcja końcowa (Cl2, ClO2, UV)
Woda do celów przemysłowych
10. Przykłady wymagań jakości wody
a) woda dla przemysłu spożywczego
-jakość wody do spożycia
- pozbawione Fe, Mn, barwy
-nie może być dezynfekowana chlorem
b) woda dla przemysłu włókienniczego
- brak mętności i barwa
-limitowane twardość orza Fe Mn
Przykłądy:
*woda do farbowania to <1,5val/m3 B<20g/m3 Pt, (Fe,Mn)< 0,2g/m3
*woda do bielenia (Fe+Mn) <0,1g/m3 [[to-twardość ogólna; B- barwa w skali platynowej]]
11Procesy uzdatniania (włókiennictwo)
-odżelazianie i odmanganianie
-zmiękczanie częściowe lub całkowite i metody strącania za pomocą wapnia i sody, jonitowe (cykl sodowy)
Woda do celów chłodniczych:
*bez zawiesiny i alg oraz Fe i Mn
*bez bakterii i substancji biogenicznych związków azotu i fosforu
*mała ilość soli rozpuszczonych
Cechy: woda stabilna bez zdolności wydzielania osadów i nie korozyjna
12Stabilnośc wody:
-usunięcie składnikó prowadzących tworzenie osadów chemicznych i biologicznych korekta pH
-dekarbonizacja zmiękczanie częściowe lub całkowite
-utlenianie chemiczne dezynfekcja
a) woda do zasilania kotłów: jakość zależy od ciśnienia kotła
- Pt< 20atm.; to<0,1on i CO2zw< 25g/cm3[ to-twardość ogólna (Ca+ Mg); CO2zw dwutlenek węgla związany]
-Pt – 40atm. to<0,05on Co2og< 20g.cm3; [to twar. Ogólna (Ca+Mn); CO2og- dwutlenek ogólny]
Najczęściej mają zastosowanie metody jonitowego zmiękczania dekarbonizacji
Pt>80atm (kotły wysokoprężne) przewodność < 0,24s/cm pH>8,5 Wymagany jest wysoki stopień demineralizacji wody
Demineralizacja wody może być uzyskana metodami filtracji membranowej lub jonitowej.
Procesy: odwróconej osmozy uzupełnionej stopniem obróbki jonitowej – jonitowej demineralizacji w układach kwarcowych ze złożem mieszanym.
*wody podziemne wymagają odpowiedniego oczyszczenia
*uzdatnianie występuje jak w przypadku wody do picia, którego zakres jest uzależniony od wymaganego składu
*Przykłady stosowanych procesów:
-zmiękczanie metodami strącania
-dekarbonizacja i zmiękczanie
-zmiękcznie i dekarbonizacja metodami jonitowymi