LABORATORIUM:

TECHNOLOGIA WODY I ŚCIEKÓW

Temat 1:

KOAGULACJA WÓD O PODWYŻSZONEJ MĘTNOŚCI

Politechnika Koszalińska
Zakład Technologii Wody i Ścieków

1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Koagulacja jest procesem najczęściej stosowanym w oczyszczaniu wód powierzchniowych, rzadziej infiltracyjnych i podziemnych. Polega ona na usuwaniu z wody zawiesin trudno opadających, cząstek koloidalnych (o wielości 1-200nm) oraz rozpuszczonych zanieczyszczeń organicznych. Występujące w wodach naturalnych cząstki koloidalne, takie jak gliny, iły, osadyCaCO3 powodują mętność wody, natomiast substancje humusowe nadają jej barwę. Koloidy naturalne mają zazwyczaj ładunek ujemny i tworzą układ stabilny. Ich usunięcie jest możliwe w wyniku destabilizacji układu, tj. zmniejszenia wartości bezwzględnej ładunku powierzchniowego cząstek. W efekcie tego maleją siły odpychania miedzy cząstkami, mogą się połączyć w większe aglomeraty, tzw. flokuły i być usunięte w procesach sedymentacji. (Ew. flotacji) i filtracji. Destabilizację można uzyskać przez:

• dodanie elektrolitu obniżającego potencjał elektrokinetyczny do koloidalnego zawiesinowego roztworu,

• wzajemne przyciąganie się i aglomerację cząstek o różnoimiennym ładunku powierzchniowym.

W praktyce do wody dodawane są koagulanty (sole glinu i żelaza), których produkty hydrolizy powodują koagulację elektrolitem oraz koloidem o znaku przeciwnym. Przyciąganie się cząstek i ich aglomeracja rozpoczyna się, gdy ich potencjał elektrokinetyczny spadnie do wartości ±30mV (koagulacja powolna), a przebiega najszybciej w punkcie izoelektrycznym, przy potencjale dzeta równym zero(koagulacja szybka). Dalszy wzrost dawki koagulantu nie zmienia szybkości koagulacji, a wręcz może pogorszyć jej efekt. Stąd konieczność określenia i stosowania optymalnej dawki koagulantu. Potwierdziły to badania Langeliera i braci Ludwigów- rys.1.

Rys1. Wpływ dawki siarczanu glinu na przebieg koagulacji cząstek powodujących mętność.

Wyróżnili oni 6 stref koagulacji. W pierwszej ze zrostem stężenia koagulantu, malała mętność roztworu. W 2 strefie następuje destabilizacja układu i wyraźny wzrost prędkości koagulacji. Dalszy wzrost dawki koagulantu (strefa 3) nie wpływał znacznie na wzrost prędkości koagulacji. W strefie 4 obserwuje się wzrost mętności wody, nastąpiła zmiana znaku ładunku powierzchniowego cząstek w wyniku przedawkowania koagulantu. W strefie 6 obserwuje się ponowna koagulację wynikającą z adsorpcji anionów w warstwie dyfuzyjnej.

Po wprowadzeniu do wody koagulantu zachodzą następujące reakcje:

• hydroliza koagulantu:

Al₂(SO₄)₃+6H₂O=2Al(OH)₃+3H₂SO₄ (1)

• reakcja z naturalną zasadowością wody:

H₂SO₄+Ca(HCO₃)₂=CaSO₄+2CO₂+2H₂O (2)

W wyniku reakcji (2) zużywana jest naturalna zasadowość wody, a powstający CO2 powoduje agresywność kwasowęglową wody. Jeżeli zasadowość wody jest niewystarczająca do całkowitej hydrolizy koagulantu, konieczne jest dozowanie wapna przed koagulantem.

2. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest określenie wpływu dawki koagulantu na proces koagulacji danego roztworu koloidalnego.

Zakres ćwiczenia obejmuje określenie optymalnej dawki koagulantu do oczyszczania ścieków z zawiesiną mineralną. Pomiar mętności, pH i zasadowości ścieków oraz ilości powstających osadów dla ścieków z zawiesiną mineralną przy różnych dawkach koagulantu i flokulantów.

BADANIE WPŁYWU DAWKI KOAGULANTU NA PRĘDKOŚĆ SEDYMENTACJI ZAWIESINY ORAZ KLAROWNOŚĆ ROZTWORU

Z danego roztworu zawiesinowego, po dokładnym wymieszaniu, pobrać 6 prób o objętości V = 500 ml, włączyć koagulator, ustawić prędkość 120 obr/min i dozować roztwór Al₂(SO₄)₃⋅18 H₂O w ilości wskazanej w tabeli 1. Po dodaniu odczynnika, mieszać jeszcze przez 1 min przy prędkości 120 obr/min, a następnie zmniejszyć obroty do 20 obr/min i mieszać przez 15 min.

Tak przygotowane próby przelać ostrożnie do lejów sedymentacyjnych. Rozpocząć pomiar prędkości przyrostu objętości wysedymentowanego osadu (granica kompresji), przyjmując czasy obserwacji: t = 30, 60 sekund, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 30 min.

Po upływie 30 minut z każdego leja ostrożnie zdekantować 250 ml cieczy nadosadowej. W otrzymanej próbce wyznaczyć pH i mętność M. Pozostałą część zawiesiny, o ile to konieczne, przesączyć przez sączek i oznaczyć zasadowość ogólną Zm, odrzucając pierwsze 50 ml przesączu. Podobne oznaczenia (pH, M, Zm) wykonać dla nieoczyszczanego roztworu zawiesinowego.

Tabela 1. Wpływ dawki koagulantu na proces sedymentacji zawiesiny

Dawka koagulantu [mg/L]	Objętość granicy kompresji V [mm^3] w funkcji czasu t [min]
C	t1
0 50 100 200 300 400

Tabela 2. Wpływ dawki koagulantu na wybrane parametry chemiczne i fizykochemiczne

Oznaczenie	Jednostka	Nieoczyszczany roztwór zawiesinowy	Dawka koagulantu (c) [mg/L]
			0
pH zasadowość ogólna (Zm) mętność (M)	- mg CaCO3/l mg/l

WYZNACZENIE OPTYMALNEJ DAWKI KOAGULANTU ORAZ WSKAŹNIKA PODATNOŚCI NA KOAGULACJĘ

Jako wskaźnik najbardziej istotny dla badanej próby zawiesiny przyjąć wartość mętności, która będzie miarą zanieczyszczenia koloidalnego.

Za optymalną z zastosowanych dawek koagulantu należy przyjąć tą, przy której zastosowaniu uzyskano najniższą wartość wybranego wskaźnika zanieczyszczenia (mętność).

Wskaźnik podatności na koagulację (Ik) obliczyć wg wzoru:

, [bzw]

w₁ – wartość mętności próbki przed koagulacją,

w₂ - wartość mętności próbki po koagulacji.

Podatność na koagulację jest tym większa, im wskaźnik I_k jest bliższy jedności.

W przypadku gdy I_K:

• jest mniejsze niż 0,3 – badane ścieki są mało podatne na koagulację,

• zawiera się w zakresie 0,3 – 0,5 – badane ścieki są średnio podatne na koagulację,

• zawiera się w zakresie powyżej 0,5-1,0 – badane ścieki są podatne na koagulację.

3. SPOSÓB OPRACOWANIA ĆWICZENIA

Otrzymane wyniki przedstawić na wykresach: V = f(t), M = f(c), pH = f(c), Zm = f(c), ζ = f(c). Przeprowadzić analizę wyników.

Omówić wpływ dawki koagulantu na przebieg procesu koagulacji wraz z oznaczeniem poszczególnych stref. Analizę zachodzących zjawisk należy przeprowadzić na podstawie mętności roztworu pokoagulacyjnego.

ANALIZY CHEMICZNE

Zasadowość ogólna (Z_M)

Jest to parametr określający zawartość w wodzie przede wszystkim wodorowęglanów, węglanów i wodorotlenków oraz występujących w niewielkich ilościach krzemianów, boranów i fosforanów. Jony te wykazują zdolność do zobojętniania kwasów mineralnych.

Do kolby odmierzyć 100 ml badanej wody, dodać kilka kropli oranżu metylowego i miareczkować 0,1 m r-rem HCl do zmiany barwy z żółtej na czerwoną:

mg CaCO₃/l,

gdzie: a - ilość roztworu HCl zużyta na miareczkowanie w [ml],

V - objętość wody użytej do miareczkowania w [ml].

LABORATORIUM:
TECHNOLOGIA ŚĆIEKÓW

III OŚ, sem.5, Stacjonarne I st.

TEMAT 1:KOAGULACJA WÓD O PODWYŻSZONEJ
MĘTNOŚCI

Zespół: Data wykonania ćwiczenia:

1. .................................................. ...............................................

2. .................................................

3. .................................................

Tabela 1. Wpływ dawki koagulantu na proces sedymentacji zawiesiny

Dawka koagulantu [mg/l]	Objętość granicy kompresji V [cm^3] w funkcji czasu t [min]
C	0,5
0 50 100 150 200 300

Tabela 2. Wpływ dawki koagulantu na wybrane parametry chemiczne i fizykochemiczne

Oznaczenie	Jednostka	Dawka koagulantu (C) [mg/l]
		0
pH zasadowość ogólna (Zm) mętność (M)	- mg CaCO3/l mg/l