Koagulacja jest procesem powszechnie stosowanym w oczyszczaniu większości wód powierzchniowych, rzadziej infiltracyjnych i podziemnych. Jest to metoda oczyszczania wód zawierających koloidy oraz zawiesiny trudno opadające. Substancje chemiczne powodujące koagulację nazywamy koagulantami. Jako koagulantu w naszym doświadczeniu użyliśmy siarczanu glinu Al2(SO4)3 .
Właściwie przebiegająca koagulacja zapewnia nie tylko duży stopień usuwania koloidów, ale również zasocjowanych z nimi innych zanieczyszczeń. Tak więc efektem skutecznej koagulacji jest zmniejszenie mętności, intensywności barwy, wskaźników zanieczyszczenia organicznego, w tym prekursorów ubocznych produktów dezynfekcji i utleniania.
Flokulacja jest to proces tworzenia agregatów z cząstek fazy stałej na drodze oddziaływania i wiązania ich powierzchni za pośrednictwem zaadsorbowanego na niej makrocząsteczki specjalnego związku polimerowego. Wiązania pomiędzy poszczególnymi cząstkami fazy stałej w tym procesie są silniejsze niż w przypadku koagulacji. Substancje chemiczne wywołujące flokulację nazywamy flokulantami. Jako flokulanty stosuje się związki polimerowe zarówno pochodzenia naturalnego (np. skrobia, żelatyna) jak i syntetyczne. Jako flokulanty syntetyczne najcęściej stosuje się polikrylamidy, kwasy poliakrylowe, tlenek polietylenu, kwasy polikrylowe, tlenek polietylenu, alkohol poliwinylowy i ich pochodne.W naszym przypadku jako flokulant użyliśmy alcomer 0,15%. Związki te muszą być rozpuszczalne w wodzie, ich ciężar cząsteczkowy jest wysoki (ponad milion g/mol), a długość cząsteczki na tyle duża aby polimer mógł jednocześnie ulegać sorpcji na kilku ziarnach ciała stałego. Powstałe ciężkie i porowate agregaty zwane flokułami, które zaczynają być posłuszne siłom grawitacji i zaczynają opadać, a prędkość ich sedymentacji opisuje prawo Stokesa. Opadające flokuły tworzą porowaty osad o dużej objętości. Flokuły te można oddzielić od wody za pomocą sit, filtracji czy dekantacji.
KOAGULACJA jest procesem powszechnie stosowanym w oczyszczaniu wód powierzchniowych. Jest to metoda oczyszczania wód zawierających koloidy oraz zawiesiny trudno opadające. Podwyższona mętność wskazuje na obecność w niej koloidów. Obecność zawiesin trudno opadających można określić na podstawie wyników analizy sedymentacyjnej.
Istotą procesu jest zmniejszenie stopnia dyspersji układu koloidalnego w wyniku łączenia się pojedynczych cząstek fazy rozproszonej w większe skupiska, które mogą skutecznie być usuwane z wody w procesach sedymentacji, flotacji i filtracji.
W wyniku koagulacji usuwane są z wody cząstki trudno opadające oraz koloidalne decydujące o mętności wody lub intensywności jej barwy. Wśród koloidów powodujących mętność dominują koloidy hydrofobowe, zaś wśród decydujących o intensywności barwy - koloidy hydrofilowe. Usuwa się koloidy hydrofilowe i hydrofobowe. Do naturalnych składników koloidalnych powodujących mętność wody należą cząstki: glin, krzemionki koloidalnej i iłów oraz koloidalne formy niektórych związków chemicznych. Natomiast naturalne koloidalne domieszki barwne: związki humusowe w których barwa zwiększa się wraz z zawartością pH.
Koloidy obce - skrobia, białka, celuloza, barwniki organiczne (ścieki-zależne od ich składowania). Efektem sztucznej koagulacji jest zmniejszenie mętności, intensywności barwy, wskaźników zanieczyszczenia organicznego. Koagulacja solami glinu i żelaza zapewnić może duży stopień usuwania metali ciężkich oraz zmniejszania radioaktywności wody. Badania usuwania miedzi, ołowiu, niklu i cynku wykazały iż sprawność procesu zwiększa się ze wzrostem pH. Najlepiej usuwa się organiczne poniżej pH 6. Zarówno dla metali cięzkich jak i radionuklidów duzy stopień ich usuwania zapewniło stosowanie wapno jako koagulanta. W koagulacji usuwa się również mikroorganizmy, szczególnie martwe, a ich usuwanie zależy od gatunku, rozmiarów i kształtu tych organizmów.
MECHANIZMY:
1. Dodawanie koloidu o znaku przeciwnym do znaku koloidów obecnych w oczyszczonej wodzie.
2. Dodawanie elektrolitu, który zmniejsza potencjał elektrolityczny i ułatwia aglomeracje koloidów obecnych w wodzie.
3. działanie promieniami gama i beta. 4. ogrzewanie 5. wytrząsanie 6. dehydrytacja 7. wymrażanie
Stosuje się 1 i 2
Koagulacje elektrolitem można wywołac również dodając do oczyszczanej wody mocne kwasy lub zasady.
Koagulacja zachodzi w dwóch fazach
1. występuje bezpośrednio po dodaniu koagulantu a trwa sekundy, podczas których przebiegaja reakcje fizyczne i chemiczne prowadzące do destabilizacji cząstek koloidalnych. 2. trwa o wiele dłużej zwana jest flokulacją, w wyniku transportu i zderzeń cząstek zdestabilizowanych powstają kłaczki które mogą być skutecznie usuwane z wody w procesach sedymentacji, flotacji, filtracji.
Zależność szybkości koagulacji od dodanej ilości elektrolitu przedstawia rysunek. Koagulacja zaczyna się wówczas , gdy potencjał elektrokinetyczny jest mniejszy od tzw. Potencjału krytycznego, którego wartość dla wielu kolidów wynosi +- 30 Mv i jest to koagulacja powolna, której szybkość zwiększa się wraz z ilościa dodanego elektrolitu. Przy stężeniu elektrolitu powodującym zmniejszenie potencjału elektrokinetycznego do wartości zeta=0, rozpoczyna się koagulacja szybka. Dalsze zwiększenie stężenie elektrolitu nie zmienia szybkości koagulacji, co wskazuje na konieczność stosowania wymaganej (optymalnej) dawki koagulanta. Stosowanie większej, niż wymagana, ilości koagulanta, nie tylko nie poprawia efektów koagulacji, a wręcz powoduje powstanie stabilnego układu koloidalnego o znaku ładunku elektryczynego odpowiadającym ładunkowi stosowanego koagulanta.
WŁASNOŚCI KOAGULANTÓW
O wyborze koagulantu decyduje jego przydatność do koagulowania usuwanych koloidów oraz pewność tworzenia trwałych trudnorozpuszczalnych i podatnych na usuwanie z wody kłączków. Ważne są również łatwość przygotowania roztworów i ich dawkowania, trwałość chem , dostępność na rynku i cena. Najczęściej stosowane są sole glinu i żelaza które są dodatnio naładowanymi połączeniami (hydroksykompleksy) należa do nich: siarczan glinowy, sia glinowo potasowy, sia żelazowy, sia żelazawy, spolimeryzowany chlorek glinowy, glinian sodowy, chlorek żelazowy.W polsce najczęściej sosuje się siarczan glinowy zawierający 17% Al2O3. ]
Spośród dostepnych w kraju koagulantów najtańszy jest siarczan żelazawy, który charakteryzuje się jednak mniejsza skutecznością niż sole żelaza 3, a ponadto zalecany zakres ph od 9 do 11 nie odpowiada wartością stężenia jonów H+ spotykanym w wodach naturalnych. Mniejsza efektywność koagulanta zelazawego jest przed wszystkim wynikiem znacznie lepszej rozpuszczalnosci w wodzie koagulnata zalazawego niż zelazowego. W związku z tym przy stosowaniu soli zelazawych niezbędne jest utlenianie jonów Fe2 do Fe3.Najczesciej w tym celu stosuje się chlor.
DAWKI KOAGULANTÓW-powiny być wyznaczone dla kazde przypadku doswiadczalnie.Orientacyjne wielkosci dawek technicznego uwodnionego siarczanu glinowego można obl. wg. wzoru D=(6-8)pierB; D=7pierM.W wypadku wystąpienia rownoczesnie podwyzszonej intensywnosci barwy B i metnosci M, najpierw należy przyjmowac dawke wieksza.Dawki soli zelazowych i zelazawych utlenionych chlorem sa w przyblizeniu rowne dawka siarczanu glinowego.Wyznaczona dosw. Dawka koagulnta i to najmniejsza jego ilosci, która zapewnia najwiekszy stopien usuwania zanieczyszczen z wody jest dawka optymalna.Ponieważ o stopniu wykorzystania decyduje pH wody , w badaniach należy wyznaczyc również optymalna wartosc pH prowadznia procesu.Jeżeli koagulacja będzie prowadzona przy korygowanej wartosci pH to dla ustalonej wartosci pH ponownie należy okreslic optymalna dawke koagulanta.
WSPOMAGANIE koagulacji. Celem stosowania środków wspomagających koagulację jest przyspieszenie powstania kłaczków i ich sedymentacji, zwiększenie powierzchni kłaczków, a więc jej pojemności sorpcyjnej, zmniejszeniu ujemnego wpływu niskich temperatur wody, rozszerzenie optymalnego dla koagulacji, zakresu pH, i zmniejszenie dawki koagulanta. Mogą to być substancje org lub nieorg i dawkowane do wody równocześnie z opóźnieniem lub z wyprzedzeniem w stosunku do czasu dawkowania koagulanta podstawowego. Część zastosowanych substancji działają jako obciążniki kłaczków (gliny, bentonit, ziemia Fullera, pył granitowy, drobny piasek kwarcowy, mielony węglan wapniowy - stosowane w temp do 10 st C małą mętnością i intensywna barwą) a inne wspomagają flokulację (flokulanty). Najczęściej stosowanym flokulantem nieorg jest krzemionka aktywowana. Zol krzemionki ma charakter amfoteryczny w wodzie jego cząstki mają charakter ujemny. Dawka wynosi od 5-10% dawki koagulantu podstawowego. Zalecane pH 5,5-7,5.Polielektrolity sa wysakoczasteczkowymi polimerami organicznymi. Dziela się na naturalne i syntetyczne. Naturalne wytwarza się ze skrobi, rzadziej z celulozy.Inne naturalne substancje takie jak glutan czy klej kostny stosowane sa bardzo rzadko. Polielektrolity syntetyczne uzyskuje się w wyniku polimeryzacji monomerow organicznych o niewysyconych wiazaniach.
CHEMiZM-dodane do oczyszczonej wody koagulanty ulegaja dysocjacji, a nastepnie hydrolizie Ponieważ kationy stosowanych soli sa wielowartosciowe hydroliza przbiega wielostopniowo.
SPOSOBY PROWADZENIA KOAGULACJI. Koagulacja może być realizowana jako obiętościowa, kontaktowa i powierzchniowa. W dwóch pierwszych prowadzonych w osadnikach kontaktowych pierwszym etapem jest dodanie do oczyszczanej wody koagulanta całkowite wymieszanie (komory szybkiego mieszania 1-3 min) oraz hydroliza koagulanta. Drugim etapem jest flokulacja w której zachodza zjawiska prowadzące do powstania aglomeratów, produktów dysojacji i hydrolizy koagualanta z usuwanymi zanieczyszczeniami. W koagulacji objętościowej ta faza zachodzi w komorach wolnego mieszania. Podczas koagulacji objętościowej powstające kłaczki usuwane sa z układu, natomiast w kontaktowej usuwana jest tylko ich część. Reszta stanowi warstwę osadu zawieszonego, który ma działanie katalizujące i sorpcyjne co zmniejsza dawkę koagulantu.
ADSORBCJA
W technologii oczyszczenia wód proces A na adsorbentach porowatych stosuje się gównie w celu usunięcia z wody rozpuszczonych zanieczyszczeń organicznych których nawet śladowe ilości mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia. Proces A na adsorbentach porowatych (wegiel aktywny) polega za wiązaniu usuwanych zanieczyszczeń ( adsorbatów) na powierzchni adsorbenta. Jeżeli siły wiążace adsorbat sa duże co powoduje że proces jest praktycznie nieodwracalny wówczas zachodzi adsorbcja chemiczna - chemisorbcja. Jeżeli siły sa słabsze ma to miejsce przy wiązaniu siłami Wan der Valsa to proces ma charakter odwracalny i jest to A fizyczna.Adsorpcja chem. Ma miejsce wówczas gdy sily wywolujace asdsorbcje maja nature chem., a adsorpcja polega na chem. laczeniu się czastek z powierzchnia adsorbenta.Sily warunkujace chemisorpcje sa siłami kowalencyjnymi z większym lub mniejszym udziałem sil jonowych.
ETAPY adsorpcji
1. transport cząstek adsorbatu w masie roztworu do warstwy granicznej roztwór-adsorbent (dyfuzja, adwekcja). 2. dyfuzja w warstwie granicznej (powierzchnia) 3. dyfuzja w porach do miejsc aktywnych 4. dyfuzja powierzchniowa. 5. adsorbcja właściwa. Cząstki sa trzymane przez siły: wiązania wodorowe, dipol-dipol, siły Wan der Valsa, elektrostatyczne.
Proces adsorbcji w określonych warunkach trwa do momentu ustalenia się równowagi dynamicznej stężenia adsorbatu pozostającego w roztworze i znajdującego się na wew powierzchni adsorbatu. Czas osiągnięcia stanu równowagi zależy od wielkości cząstek adsorbatu i jego podatności na proces sorpcji. Im większa cząstka tym dłuższy czas osiągnięcia równowagi. Istnieje określony rozdział adsorbatu między roztworem i adsorbentem. Opisuje się go za pomocą izoterm adsorbcji. Sa to zależności między ilością substancji zaadsorbowanej przez jednostke masy adsorbenta a stężeniem równowagowym adsorbenta w stałej temperaturze. Wsród izoterm adsorbcji szczególnie ważne do opisu matematycznego są równania: Freundlicha i Langmuira. W teorii F liczba zaadsorbowanych cząstek przy całkowitym pokryciu powierzchni adsorbenta nie może być większa od liczby miejsc aktywnych. y/m=KC1/n .
Równanie Langmuira:
y/m=a*b*C/1+b*C
DYNAMIKA Adsorbcji
Rozpatruje czasowo przestrzenny rozkład adsorbatu w złożu adsorbcyjnym. Ogólny model matematyczny dynamiki procesu obejmuje równanie bilansu masowego adsorbatu, kinetyki i izotermy adsorbcji. W analizie przyjmuje się założenia które w układach adsorbcyjnych oczyszczania wody są zgodne z rzeczywistością (sorbowany jest jeden składnik strumienia a przy małym stężeniu adsorbatu jego ubytek w czasie procesu nei wpływa na zmianę lepkości i gęstości strumienia, proces przebiega w układzie izotermicznym zaś ruch strumienia wody odbywa się ze stała prędkością i w jednym kierunku.
ADSORBENTY
Do sorpcji wód z zanieczyszczeń najczęściej stosuje się węgiel aktywny (ziarnisty, granulowany, pylisty) ostatnio do wstępnej sorpcji stosuje się sorbenty syntetyczne, które sorbuje do ok. 70% adsorbatu. O skuteczności i przydatności węgla aktywnego decydują cechy: pojemność adsorpcyjna, wielkość powierzchni właściwej, wielkość porów i ich rozkład, chemiczna natura powierzchni i uziarnienia, wytrzmałość na ścieranie i kruszenie. Cechy te zależą od rodzaju surowca z którego są wytwarzane (w drzewny, antracyt, półkoksy: torfowy i ksylitowy) w brunatne oraz krzemienne, trociny łupiny orzechów, pestki, kości. Porowatość węgli decyduje o stopniu usuwania zanieczyszczeń o różnej wielkości. Węgle o dużej objętości mikroporów maja dużą powierzchnie właściwa i dużą skuteczność usuwania małych cząstek (fenoli). Węgle różnoporowate sorbują cząstki większe i mniejsze co umożliwia szybki transport małych cząstek wew adsorbenta. Węgle makroporowate skutecznie zatrzynują cząstki duże (kwasy fulwowe).
Pyliste węgle aktywne mogą być dawkowane do wody surowej w procesie koagulacji lub przed filtrami. Węgle ziarniste lub granulowane eksploatuje się w układach przepływowych jako warstwa w wielowarstwowych złożach filtracyjnych lub jako złoża sorpcyjne. Rzadziej stosowana jest adsorpcja węglem aktywnym do usuwania zanieczyszczeń nieorg (metale ciężkie).
ZANIECZYSZCZENIA występujące w wodach charakteryzuje tzw. energia adsorpcji E ze wzrostem której zwiększa się podatność adsorbatów do adsorpcji. Energie te definuje się jako roznice miedzy energia powinowactwa adsorbatu z powierzchnia adsorbenta E1, a suma energii powinnowactwa wody z pwierzchnia adsorbenta E2 oraz energi powinowactwa adsorbatu z woda E3
E=E1-(E2+E3).Podatnosc do adsorpcji zalezy od rozpuszczalnosci absorbatow i ziweksza sie wraz ze zmniejszeniem se rozpuszczalnosci oraz zwiekszaniem ich masy czasteczkowej, poczatkowego stezenia oraz dlugosci lancucha weglowego adsorbowanych zanieczyszczen.Dlatego sorpcja jonow jest znacznie slabsza niż odpowiednikow po zdestabilizowaniu ladunku.
BEŁCHATÓW
Rekultywacja:
- rekultywacja podstawowa: właściwe ukształtowanie rzeźby zwałowiska, połączenie z terenami przyległymi poprzez budowę systemu dróg i pochylni
- rekultywacja szczegółowa: wprowadzenie roślinności zielnej, wprowadzenie gatunków drzewiastych, pielęgnacja nasadzeń.
Prowadzenie eksploatacji metodą odkrywkową wymaga uprzedniego odwodnienia górotworu. Zmiany hydrodynamiczne, związane z intensywnym drenażem w obrębie wyrobiska, manifestują się w postaci leja depresyjnego, którego kontrola jest jednym z głównych elementów monitoringu środowiska w KWB Bełchatów. Odwodnienie złoża wpływa na obniżenie poziomu wód gruntowych (powierzchnia 450 km2). W ramach przeciwdziałania skutkom zaniku wody w płytkich ujęciach wykonano ponad 2000km sieci wodociągowych.
Stwierdzono ujemny wpływ leja depresyjnego na część gruntów ornych. Wykonuje się rekultywacje i renowacje użytków zielonych.
Ochrona wód powierzchniowych i podziemnych.
Osadniki wód brudnych. Wody z pompowania wgłębnego jako wody czyste kierowane sa bezpośrednio do cieków naturalnych ( II klasa czystości).
W ramach ochrony rzek przed zanieczyszczonymi zawiesiną wodami pochodzącego z odwodnienia powierzchniowego wybudowano trzykomorowy osadnik wód brudnych o pojemności 290,000 m3 i dwukomorowy osadnik wód brudnych o pojemności 46,000 m3. Oczyszczanie wód w ww. osadnikach realizowane jest na drodze sedymentacyjnej osadów ze wspomaganiem filtra roślinnego. Dodatkowo w miejscowości Winek zbudowano zbiornik retencyjno-osadowy.