Skład wód powierzchniowych

często się zmienia - różnorodność związków chemicznych

zależy od:

-budowa geologiczna zlewni

-topografia zlewni

-sposób zagospodarowania zlewni

-rodzaj procesów zachodzących w wodzie

-natężenie przepływu wody

-powierzchnia kontaktu wody z powietrzem atm.

-temperatura powietrza

-stopień regulacji zbiornika (gł. rzeki)

Charakteryzacja wód powierzchniowych:

fizyczne:

-barwa - powodowana przez koloidy, organizmy - glony i sinice i ścieki dopływające do zbiornika

-mętność - powodowana przez zawiesinę

-smak i zapach - głównie wywoływane przez metabolity mikroorganizmów, procesy mineralizacji osadów dennych lub wprowadzanie do wody ścieków o specyficznym zapachu

skład chemiczny:

-pH wód powierzchniowych 6,5 do 8,5 ; najczęściej koło 7

-substancje nieorganiczne - suma anionów i kationów znajdujących się w wodzie, kationy wapnia i magnezu - dominujące,w mniejszym stopniu sód; aniony - wodorowęglany - dominują, siarczany, chlorki i krzemiany; miarą zawartości tych jonów - przewodność elektrolityczna wody

-twardość wody ilość kationów - gł. wapnia i magnezu jony

mierzona przez zawartość w wodzie wodorowęglanów i węglanów

twardość niewęglanowa - chlorki i siarczany

-zasadowość wody - wywołują ją wodorowęglany, węglany, aniony wodorotlenowe, boranowe, krzemianowe i fosforanowe

-kwasowość wody - powodują ją - wolny dwutlenek węgla CO2, kwasy mineralne, i kwasy organiczne

-dodatkowe związki nieorganiczne - związki żelaza, gł. wodorotlenek, fosforany żelaza, związki Mn, Na, K, P i metale ciężkie

-substancje organiczne - białka, węglowodany, woski, oleje, celuloza, skrobia, chlorofil, PCB -polichrlorowany bifenylen, WWA, SPC - środki powierzchniowo czynne, fenole, alkohole, pestycydy, produkty naftowe, organizmy żywe

Podział zanieczyszczeń występujących w wodach naturalnych:

zanieczyszczenia +H₂O

=> stan skupienia(gaz, ciecz, ciało stałe)

↓

substancje organiczne (syntetyczne, naturalne) substancje organiczne (naturalne, syntetyczne)

↓

rozpuszczone(zdysocjowane, niezdysocjowane) nierozpuszczone(koloidy, zawiesiny)

Organizmy w wodach powierzchniowych:

czynniki biologiczne

↓

heterotrofy

-działanie chorobotwórcze => wirusy, bakterie, grzyby, pasożyty

-proces mineralizacji =>bakterie, grzyby saprofityczne, zwierzęta

autotrofy - synteza składników komórkowych (fotosynteza, chemosynteza)

-chemoautotrofy

-glony

-rośliny wyższe

↓

saproby

-polisaproby, mezosaproby, oligosaproby

połączyć autotrofy z (bakterie, grzyby saprofityczne, zwierzęta)

Oczyszczanie wody:

woda przed jej spożyciem, a także woda wykorzystywana na potrzeby gospodarcze i przemysłowe musi zostać odpowiednio przygotowana - uzdatniona

zanieczyszczenia usuwane z wody w trakcie uzdatniania:

-zawiesiny i koloidy powodujące mętność i barwę

-związki organiczne pochodzenia naturalnego i antropogenicznego

-substancje powodujące smak i zapach wody

-związki żelaza, manganu i metale ciężkie

-gazy rozpuszczone (CO2, NH3, H2S, CH4)

-organizmy, przede wszystkim patogeny, glony i sinice

Wpływ różnych procesów na usuwanie zanieczyszczeń z wody

proces/zanieczyszczenie barwa mętność zapach i smak zw. refrakcyjne twardość organizmy

flotacja + +

sedymentacja + o

koagulacja + + o +

filtracja pośpieszna + o +

filtracja powolna o + o o o

adsorpcja o o + +

dezynfekcja o o o +

wymiana jonowa o +

utlenianie chemiczne o o +

techniki membranowe + +

mikrosita o o +

+ - wysokoefektywna metoda

o - średnioefektywna metoda

Procesy

dezynfekcja odkażanie, służy do usuwania z wody organizmów chorobotwórczych i form przetrwalnych

organizmy chorobotwórcze w wodach powierzchniowych

-bakterie chorobotwórcze

Salmonella typhi

Salmonella paratyphi

Shigella desynteriae

E. coli

Legionella pneumophila

Mycobacterium tuberculosis

-pierwotniaki chorobotwórcze

Entamoeba histolitica

Cryptosporidium parvum

Gijardia intestinalis

-robaki pasożytnicze

Ascaris lumbricoides - glista ludzka

Enerobius vemicularis - owsik

Trichhuris trichuria

Taenia solium

Toeria saqinalta

-wirusy

wirus polio

wirusy Coxackie A i B

wirus ECHO

Hepatitis wirus A

przenoszenie z żywiciela do żywiciela za pośrednictwem wody

Cechy dobrego środka dezynfekcyjnego

-duża siła bójcza w odniesieniu do patogenu

-niszczenie patogenów w określonym czasie

-zabezpiecza wodę przed wtórnym skażeniem w sieci wodociągowej

-nie powinien zmieniać cech organoleptycznych wody (gł. smaku i zapchu)

Metody dezynfekcji wody

1.metody fizyczne

-promieniowanie UV (na skalę dużą, Holandia),

-ultradźwięki,

-wysoka temperatura

2.chemiczne

-chlorowanie (chlor gazowy - Polska, woda chlorowa, chloraminy, dwutlenek chloru-Niemcy, podchloryn sodowy)

-ozonowanie (USA)

-jodowanie.

Promieniowanie UV

promieniowanie elektromagnetyczne, o długość fali 100-400nm, dzieli się na 3 przedziały:

UV-A UV-B UV-C

zabójcze właściwości - UV-C 200-280nm max działania zabójczego - 265nm

działanie na patogeny - kwanty promieniowania są pochłaniane przez kwasy nukleinowe

(zasady purynowe i pirymidynowe) i aminokwasy aromatyczne w białkach

ma działanie bójcze w stosunku do organizmów i działanie mutagenne (też prowadzi do śmierci komórki) - mutacje w obrębie DNA komórki, powodujące zakłócanie replikacji genów

dawka stosowana - 100-200 max. 400 J/m2

wrażliwość drobnoustrojów - bakterie gramujemne - Salmonella i Shigella - najbardziej wrażliwe, mniej wrażliwe - G+ - np. B. subtilis, najmniej - przetrwalniki, spory

warunki jakie musi spełniać woda, aby można było zastosować do dezynfekcji UV:

-nie powinna być mętna

-nie powinna zawierać zw. barwnych

-nie powinna zawierać zw. Fe i Mn

-nie powinna zawierać zw. węgla podatnych na biodegradację

-nie powinna zawierać zw. N i S

-film wody nie grubszy od 5cm

-lampy UV należy poddawać systematycznemu czyszczeniu

UV zmienia właściwości organoleptyczne wody (zwłaszcza gdy zw. węgla obecne)

2 rodzaje lamp - rtęciowe o różnym ciśnieniu par rtęci, niskociśnieniowe, średniociśnieniowe,wysokociśnieniowe

najbardziej efektywne - niskociśnieniowe - emitują tylko kwanty z zakresu UV-C

Ultradźwięki:

właściwości bójcze - fale ultradźwiękowe o częstotliwości: 20000Hz/s

mechanizm działania - wiąże się ze zjawiskiem kawitacji - powstawanie w roztworze pod wpływem fal pęcherzyków gazu, które pod wpływem zmian ciśnienia w roztworze doprowadzają do implozji komórek

najbardziej wrażliwe - młode komórki bakterii, wirusy, pierwotniaki, robaki pasożytnicze, przetrwalniki bakterii

skala techniczna, półtechniczna, laboratroryjna metoda

Temperatura:

im wyższa zastosowana w procesie dezynfekcji tym krótszy czas działania i vice versa.

Śmierć komórek powodowana przez temperaturę - śmierć cieplna, różna u różnych organizmów, a nawet u tego samego organizmu w zależności od wieku.

Powoduje - uszkadza błony cytoplazmatyczne w komórkach, powoduje cieplną degradację RNA, powoduje denaturację białka, zarówno u form wegetatywnych jak i przetrwalnych.

Chemiczne metody dezynfekcji wody:

-chlorowanie z zastosowaniem chloru gazowego (bezpośrednia) lub wody chlorowej (pośrednia)

jeden z najskuteczniejszych środków do dezynfekcji, bo małe cząsteczki i obojętność elektryczna

działa na komórki patogenów uszkadzając w nich przede wszystkim enzymy z klasy dehydrogenaz

blokuje cząsteczki tych enzymów na skutek utleniania grup -SH

Chlor występuje w wodzie w następujących postaciach:

-chlor wolny

HCLO - mało trwały

chlor wolny - suma cząsteczek chloru cząsteczkowego, kwasu podchlorawy i jony podchlorynowe (ClO-)

rekacja (fot)

jony podchlorynowe w wodzie - woda chlorowa

chlor związany

chlor występujący w wodzie w postaci chloramin organicznych i nieorganicznych

Chlor pozostały ogólny - suma chloru wolnego i chloru związanego

zapotrzebowanie wody na chlor

ilość chloru potrzebna na pokrycie wszystkich procesów zużywających chlor

Krzywa chlorowania wody w (fot

Woda:

zawiera azot amonowy

zawiera azot organiczny

zawiera obydwie razem formy

bez azotu

O-A zredukowane związki nieorganiczne - utleniane

A-B fragm pogazujący powstawanie chloramin nieorganicznych w wodzie

B-C niszczenie chloramin nieorganicznych pod wpływem niekorzystnego stężenia N do Cl

C-brak chloramin punkt przełamania

C-D chlor wolny

Azot organiczny - krzywa podobna, ale bardziej spłaszczona

gdy brak azotu

O-A A-B i dalej nasycenie wody chlorem

u mikroorganizmów:

bardzo szybkie niszczenie patogenów

w pierwszym etapie najbardziej wrażliwe na chlor - giną

dalej krzywa niszczenia łagodnieje

pozostają drobnoustroje mało wrażliwe na chlorowanie

na skuteczność dezynfekcji chlorem ma duży wpływ pH wody

w pH poniżej 7 - niszczone gł. bakterie, w pH powyżej 7 inne patogeny, w tym wirusy

wirus najbardziej oporny - Polio, niszczony po 5h kontaktu z chlorem

w dawce chloru - 1g/m3 wody pH=8

inne wirusy krótsze czasy, mniejsze stężenia

chlor ma bardzo dużą siłę bójczą, zabezpiecza wodę w sieci wodociągowej przed wtórnym skażeniem, zmienia cechy organoleptyczne wody - smak i zapach

chloraminy

można podzielić na organiczne i nieorganiczne

nieorganiczne w wyniku reakcji chloru z azotem nieorganicznym

natomiast organiczne w wyniku reakcji chloru z azotem organicznym

Powstawanie chloramin

dichloramin

trichloramin

(fot.)

chloraminy organiczne

działanie na kwas aminoocotwy

reakcja - fot

czas powstawania nieorganicznych - kilka minut

organicznych - kilka godzin

Czynniki wpływające na powstawanie chloramin:

-temperatura

-pH

-stosunek wagowy Cl do N

pH =8,5 w tej wodzie przede wszystkim monochloraminy

4,4 - 8,5 mono i dichloraminy

stosunek niższy od 3:1 monochloraminy

4,4:1 - niszczenie chloramin - utlenianie do N2

Cl₂/N_NH4+ 7,34:1 - całkowite uwolnienie chloramin - pojawia się wolny chlor

słabsze właściwości bójcze w stosunku do chloru,

mniej reaktywne z zanieczyszczeniami obecnymi w wodzie

bardziej stabilne w wodzie

dlatego zabezpieczają wodę przed wtórnym skażeniem w sieci wodociągowej

nie zmieniają jej właściwości organoleptycznych

w stosunku do chloru - słabszy środek dezynfekcyjny

tabelka - fot

Stężenie chloru pozostałego i czas niezbędny do zabicia niektórych gatunków bakterii

Bakterie	Postać chloru	Stężenie chloru pozostałego gCl2/m3	Niezbędny czas kontaktu
E.coli	HClO NHCl2		1min 9min
	HClO NHCl2		31,6h
	HClO NHCl2
	HClO NHCl2

Dwutlenek chloru

ClO₂

ma bardzo silne właściwości bójcze w stosunku do wszystkich patogenów

zabezpiecza wodę przed wtórnym zanieczyszczeniem w sieci

dezynfektant działa bez zależności od pH

nie zmienia właściwości organoleptycznych wody

w wodzie powstają chloryny i chlorany, które niszczą erytrocyty we krwi

dawki stosowane - 0,1g/m3 wody

bardzo aktywny do wszystkich patogeny - wirusy bakterie, przetrwalniki, cysty

mechanizm działania - rozrywanie ścian komórkowych, błon komórkowych, hamowanie biosyntezy białek

bardzo reaktywne 3 aminokwasy - tryptofan, cysteina, tyrozyna

działa inhibująco na enzymy oddechowe

niszczy kwasy nukleinowe

kwas RNA - wrażliwy

ozonowanie

bardzo silne właściwości bójcze

poprawia własności organoleptyczne wody

nie zabezpiecza wody przed wtórnymi zanieczyszczeniami w sieci

na patogeny może działać w następujący sposób:

bezpośrednio jako ozon cząsteczkowy

pośrednio - za pomocą rodników hydroksylowych albo hydroksynadtlenkowych

OH* HO₂*

produkty reakcji ozonu cząsteczkowego z cząsteczkami wody

mechanizm działania:

rozrywa wiązania podwójne w fosfolipidach budujących ściany i błony komórkowe

w wyniku czego dochodzi do fragmentacji tych struktur

we wnętrzu komórek ozon wchodzi w reakcje z białkami i kwasami nukleinowymi

zmienia ich rozpuszczalność, i powoduje wypływanie z komórek

dawka stosowana najczęściej - 0,4mg ozonu/dm3 dezynfekowanej wody

czas działania - 4min.

Ozon gazem bardzo reaktywnym - jednocześnie nietrwały w wodzie

czas rozpadu ozonu w wodzie - kilka sekund - do kilku minut w zależności od pH

z wody przed ozonowaniem powinny być usunięte związki węgla podatne na utlenianie ozonem

woda po ozonowaniu zawsze musi być chlorowana

MIOX - Mixed oxidant

utleniacz mieszany

w jego skład wchodzi nadtlenek wodoru, ozon, dwutlenek chloru, jon podchlorynowy,

wszystkie razem - działają efektywniej

jod

stosowany w postaci jodu cząsteczkowego, albo kwasu podjodawego HIO

dawka - 5mg/l

miejsce wykorzystania - baseny kąpielowe

jod cząsteczkowy efektywniej niszczy przetrwalniki i cysty

kwas podjodawy - bardziej wirusy niszczy niż jod cząsteczkowy

Właściwość	Chlorowanie	Ozonowanie	Dwutlenek chloru	Promieniowanie UV
Wydajność zakładu	Każda	Średnia do dużej	Mała do średniej	Mała do średniej
Pewność działania instalacji	Dobra	Niezła do dobrej	Dobra	Niezła do dobrej
Względna łatwość technologii	Mała do średniej	Duża	Średnia	Mała do średniej
Pewność skuteczności dezynfekcji	Duża	Średnia	Duża	Minimalna
Bakteriobójczość	Dobra	Dobra	Dobra	Dobra
Wirusobójczość	A	Dobra	Dobra	Dobra
Cysty pierwotniaków	Mała	Średnia	Mała	Mała
Wytwarzanie ubocznych produktów dezynfekcji	B	C	Tak	Nie?
Trwałość pozostałego dezynfektanta	Duża	Żadna	Średnia	Żadna
Czas kontaktu	Średni	Krótki	Średni	Krótki
Reagowanie z azotem amonowym	Tak	Nie	Nie	Nie
Zależność od pH

Wymagania stawiane wodzie po dezynfekcji

stan mikroorganizmów wskaźnikowych

zanieczyszczenie wody kałem

w dużych ilościach w odchodach ludzi i zwierząt

łatwa identyfikacja

nie mogą rozwijać się naturalnie w wodzie do picia

-Bakterie z grupy coli: Escherichia coli, Citrobacter freundii, Enterobacter areogenes

-przetrwalnikujące bakterie beztlenowe - Clostridium perfringens

-paciorkowce kałowe - Streptococcus faecalis.

Warunki bakteriologiczne po dezynfekcji:

-wskaźnik jakości wody

najwyższa dopuszczalna wartość w próbce wody do picia

liczba bakterii i objętość próbki

bakterie z grupy coli - 0 - 100cm3

streptococcus faecalis

clostridium perfringens

ogólna liczba bakteri - 37 st - 1cm 3 - 20 szt.

ogólna liczba bakterii - 22 st. 1cm3 - 100 szt.

Kinetyka dezynfekcji

Zależność prędkości wymierania bakterii od czasu działania środka dezynfekującego

prawo Chicka -

zależność prędkości ginięcia patogenu w zależności od czasu działania środka dezynfekcji

prawo Watsona -

opisuje zlaeżność pomiędzy wpływem dawki początkowej i czasu kontaktu na skuteczność dezynfekcji

tcⁿ=k*

t- czas niezbędny do zniszczenia

n- współczynnik rozcieńczenia, jak zmienia się skuteczność dezynfekcji

k* - stałą proporcjonalności, specyficzna dla danych

Układy technologiczne uzdatniania wody powierzchniowej

schemat:

woda powierzchniowa

→ Cl2

koagulacja/flokulacja

→

sedymentacja/flotacja

→

filtracja pospieszna

→ Cl2

woda pitna

Koagulacja - jest stosowana do usuwania koloidów powodujących barwę i mętność wody, oraz zawiesin trudnoopadających.

Podział koloidów występujących w wodach

-koloidy powodujące mętność wody - hydrofobowe (np. cząsteczki zawiesin organicznych i bezwodne tlenki metali)

-koloidy powodujące barwę wody - hydrofilowe, (np. cząstki organiczne zawieszone w wodzie, mikroorganizmy, uwodnione tlenki metali)

-naturalne - iły, gliny, węglan wapnia

-obce (syntetyczne) np. barwniki organiczne.

Koagulacja - jest to zmniejszenie dyspersji układu koloidalnego w wyniku łączenia się pojedynczych cząstek formy rozproszonej w większe skupiska, tzw. aglomeraty.

Mechanizm procesu koagulacji

Można ją spowodować poprzez

-dodanie koloidu o znaku przeciwnym do koloidów obecnych w oczyszczonej wodzie.

-dodanie elektrolitu, który zmniejsza potencjał elektrolityczny i ułatwia aglomerację koloidów obecnych w wodzie.

Koagulacja jest procesem 2-etapowym.

I - występuje bezpośrednio po dodaniu koagulanta, trwa kilka sekund, porzebiegają w niej procesy fizyczne i chemiczne, prowadzące do destabilizacji koloidów. Destabilizację koloidów mogą powodaować jony, dlatego, że neutralizują ładunek kolidu i produktów hydrolizy koagulantów, które sorbują się na powierzchni koagulantów.

II - tzw. flokulacja - zdestabilizowane cząstki koloidów tworzą kłaczki usuwane z wody w procesie sedymentacji, flotacji i filtracji.

Aby mogła zajść koagulacja musi być dodana odpowiednia dawka koagulantu, tzw. dawka progowa, która zależy od wartościowość jonów koagulujących.

Im wyższa wartościowość jonów, tym mniejsza wymagana ilość koagulanta.

Jest to tzw. reguła Schulza -Hardy'ego.

Zależność szybkości koagulacji od dodanej ilości elektrolitów

rozpoczyna się wtedy kiedy potencjał elektrokinetyczny jest mniejszy od tzw. potencjału krytycznego, którego wartość wynosi +/- 30 mV.

Jest to koagulacja powolna, której szybkość zwiększa się wraz ze zwiększaniem stężenia elektrolitu.

Przy stężeniu elektrolitu powodującym zmniejszenie potencjału elektrokinetycznego do 0, rozpoczyna się koagulacja szybka, dalsze zwiększanie stężenia elektrolitu nie zmienia już szybkości koagulacji.

Stosowane koagulanty i ich właściwości

Najczęściej stosowane w Polskce

-sole glinu i żelaza, tworzące w wyniku hydrolizy dodatnio naładowane połączenia, tzw. hydroksykompleksy, destabilizujące zanieczyszczenia koloidalne.

Siarczan glinowy Al₂ (SO₄)₃ *18H₂O

siarczan glinowo-potasowy Al₂ (SO₄)₃ *K₂SO₄*24H₂O

siarczan żelazowy Fe₂ (SO₄)₃ *9H₂O

siarczan żelazawy Fe(SO₄)₃ *7H₂O

glinian sodowy Na₂Al₂O₄

chlorek żelazowy FeCl₃ *6H₂O

Kagulanty glinowe - wykorzystywane do usuwania powdujących barwę i mętność wody.

Nie są zalecane do usuwania mikroorganizmów. Wrażliwe na niskie temperatury.

Negatywny wpływ niskich temperatur niweluje się stosując odpowiednie pH r-ru.

Tworzą kłaczki o dużej powierzchni właściwej - dużej pojemności sorbcyjnej.

Kagulanty żelazowe - tańsze od glinowych, niewrażliwe na niskie temperatury wody.

Skuteczne w szerokim zakresie pH, tworzą kłaczki ciężkie i dobrze sedymentujące.

Nie powinno się ich stosować do usuwania zanieczyszczeń barwnych, ponieważ tworzą z nimi barwne kompleksy rozpuszczalne w wodzie.

Substancje wspomagające koagulację:

przyspieszanie powstawania kłaczków i ich sedymentację

zwiększenie powierzchni właściwej kłaczków - ich pojemności sorbcyjnej

zmniejszenie ujemnego wpływu niskich temperatur

Rozszerzenie optymalnego dla procesu koagulacji zakresu pH.

Zmniejszenie dawki koagulanta.

Mogą być stosowane równocześnie z koagulantem podstawowym, a także

przed i po czasie jego działania.

Zawsze dawki tych związków są mniejsze niż dawki koagulanta podstawowego.

Obciążniki kłaczków:

-gliny

-bentonit

-pył anhydrytowy

-pył granitowy

-piasek kwarcowy

-mielony węglan wapnia

Stosuje się je wtedy, kiedy woda ma małą mętność, a wysoką barwę.

Obciążniki przyśpieszają powstawanie kłaczków - stanowią zarodki krystalizacji.

Obciążają kłaczki i poprawiają ich sedymentację, wspomagają koagulację w zakresie niskich temperatur, dawki stosowane 5-15g /m³ uzdatnianej wody.

Pylisty węgiel aktywny - tzw. PAC

działa podobnie do obciążników kłaczków, dawki stosowane wynoszą od 2-20g/m³ uzdatnionej wody.

Substancje wspomagające flokulację - flokulanty.

1.Nieorganiczne - np. krzemionka aktywowana, ma w wodzie ładunek ujemny. Dawki stosowane 5-10% koagulanta podstawowego. Zakres pH 5,5-7,5. Kiedy chcemy oczyścić wodę mętną stosujemy krzemionkę przed koagulantem podstawowym, natomiast kiedy wodę zabarwioną - stosujemy po koagulancie podstawowym.

2.Organiczne - polielektrolity (wysokocząsteczkowe polimery organiczne) - dzielimy je na:

-naturalne (najczęściej pochodne skrobi, celulozy, może to być też gluten, klej kostny)

-syntetyczne (uzyskuje się je w wyniku polimeryzacji monomerów organicznych o nienasyconych wiązaniach, zawierają grupy jonotwórcze w zależności od rodzaju tych grup dzielą się na: niejonowe [polialkohole, polietery, poliamidy,] anionowe [polimery karboksylowe i sulfonowe], kationowe [IV-rzędowe spolimeryzowane związki amoniowe oraz polimery sulfoniowe, fosfoniowe]).

W wyniku dysocjacji w wodzie polielektrolitów kationowych powstają anion i polikation, w wyniku dysocjacji w wodzie polielektrolitów anionowych powstają kation i polianion.

Polielektrolity niejonowe są związkami amfoterycznymi, o sposobie ich dysocjacji decyduje pH wody.

Polielektrolity przyspieszają powstawanie dużych i trwałych kłaczków i ich dawki wynoszą:

0,1 - 1% dawki koagulanta podstawowego.

Urządzenia do przeprowadzania koagulacji

realizuje się w komorach szybkiego i wolnego mieszania.

Komory szybkiego mieszania służą do równomiernego rozprowadzania reagentów w uzdatnianej wodzie.

Komory wolnego mieszania - tzw. komory flokulacji - w niej dochodzi do przyspieszania powstawania kłaczków i łączenia ich w większe aglomeraty.

Czas zatrzymania wody w komorach szybkiego mieszania, wynosi od 30-120 sek., natomiast w komorach wolnego mieszania od 600-2700s.

Sedymentacja

służy do usuwania z wody cząstek o gęstości większej niż gęstość wody, a więc cząstek opadających.

Cząstki mogą opadać pojedynczo - zawiesiny ziarniste, albo w postaci aglomeratów - zawiesiny kłaczkowate, np. osad pokoagulacyjny.

Urządzenia w których przeprowadza się proces sedymentacji to osadniki.

Mogą znajdować się na początku układu wszystkich urządzeń służących do uzdatniania, wtedy gdy istnieje konieczność usunięcia zawiesin łatwoopadających przed dalszym uzdatnieniem tej wody.

Po urządzeniach do koagulacji, wtedy gdy istnieje konieczność usunięcia osadów powstających w tym procesie.

Woda z osadników kierowana jest najczęściej na filtry, kiedy jest kierowana na filtry pośpieszne to ilość zawiesin w tej wodzie po sedymentacji może być najwyżej ok. 50g/m3 wody.

Kiedy osadnik, a potem filtry powolne - ilość zawiesin 10-20g/m3 wody.

Rodzaje osadników:

1.osadniki o przepływie poziomym - unoszenie cząstek stałych jest w nich uzależnione od prędkości przepływu wody i prędkości opadania, do usuwania osadów z dna tych osadników, zwykle stosuje się zgarniacze - linowe, łańcuchowe.

2.osadniki o przepływie pionowym - są to najczęściej urządzenia o przepływie kołowym, stosuje się je do oczyszczania małej objętości wody, w środku urządzenia znajduje się rura centralna, którą doprowadzana jest woda, i ta woda potem przepływa do tzw. klarowników (komór klarowania).

Do odbierania sklarowanej wody służą koryta przelewowe.

Osad zgromadzony w leju osadowym jest z tych urządzeń usuwany hydraulicznie, pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego wody w osadniku.

3.osadniki kontaktowe - z osadem zawieszonym, popularnie nazywane klarownikami, w urządzeniach tych zachodzi równocześnie koagulacja i sedymentacja, cechą charakterystyczną tych urządzeń jest przepływ wody koagulowanej przez warstwę osadu zawieszonego w wodzie.

Osad utworzony jest z kłaczków koagulanta, skoagulowanych koloidów i zawiesin.

Osad ten ma dużą powierzchnię właściwą, rzędu 290m2/g i dużą pojemność sorbcyjną, woda przepływa w przeciwprądzie do opadających kłaczków, osad musi być z tych urządzeń okresowo lub stale usuwany.

Są to urządzenia bardzo wrażliwe na temperaturę otoczenia.

W okresie zimowym konieczne jest stosowanie środków wspomagających koagulację.

W okresie letnim dochodzi do wypływania wody z tych osadników, głównie pod wpływem glonów wytwarzających duże ilości CO2 i dlatego wodę wstępnie się w tym przypadku chloruje.

Flotacja

proces stosowany zamiast sedymentacji, głównie do oczyszczania wód zabarwionych o małej mętności. Zalecany jest ten proces do usuwania z wody zawiesin lekkich i trudnosedymentujących.

Stosuje się ten proces gdy cząstki mają gęstość mniejszą od gęstości wody, lub gdy różnica zawiesin i wody jest niewielka.

Czynnikiem rozdzielającym zawiesinę od wody, oraz wynoszącym zawiesinę na powierzchnię jest czynnik wspomagający flotację - którym najczęściej jest powietrze, tzw. flotacja gazowa.

Wyflotowane na powierzchnię zawiesiny to tzw. flotat.

Flotacja gazowa składa się z 3 faz:

1.Wytworzenie pęcherzyków gazów w objętości oczyszczanej wody,

2.Aglomeracja cząstek stałych z pęcherzykami gazów,

3.Separacja powstałych aglomeratów.

Rodzaje flotacji:

-flotacja bezciśnieniowa, albo tzw. dyspergowanym powietrzem, do uzdatnianej wody bez uprzedniej korekty ciśnienia wprowadza się pęcherzyki powietrza stosując do tego celu dyfuzory.

-flotacja ciśnieniowa, albo tzw. powietrzem rozpuszczonym, w tego typu flotacji wydzielenie pęcherzyków powietrza z wody uzyskuje się poprzez obniżenie ciśnienia wody poniżej ciśnienia atmosferycznego, lub przez podwyższenie ciśnienia, a następnie rozprężenie układu do ciśnienia atmosferycznego. (Druga częściej stosowana).

Flotaty z tych urządzeń usuwa się za pomocą zgarniaczy mechanicznych, w sposób ciągły lub cykliczny.

Jeżeli flotat jest nietrwały, (woda przy znacznej barwie), należy go usuwać co 30sek. , natomiast gdy jest trwały (woda o dużej mętności) można usuwać co 24h.

Filtracja

-proces, który pozwala na usunięcie z wody cząstek o średnicach powyżej 0,1um.

Mechanizm filtracji - polega na przepływie wody w określonym kierunku i z określoną prędkością, przez złoże filtracyjne, które stanowi materiał porowaty.

Materiał filtracyjny:

-najczęściej piasek kwarcowy

-granulowany węgiel aktywny (GAC)

-piasek, pył anhydrytowy

-keramzyt

-granit

-tworzywa sztuczne

Charakterystyka materiału filtracyjnego:

-ziarnisty (decyduje o geometrii złoża i właściwościach hydraulicznych),

-porowatość (określa pojemność złoża)

-gęstość

-wytrzymałość na kruszenie i ścieranie

-musi być czysty, przez przepływającą wodą nie mogą być z tego materiału wypłukiwane żadne związki,

-układa się w złożu warstwami, a całe złoże powinno być ułożone na tzw. żwirze podtrzymującym, który też ma budowę warstwową.

Uziarnienie złoża (poszczególnych warstw) - obowiązuje warunek, że uziarnienie kolejnej warstwy powinno być 2-krotnie większe niż warstwy drobniejszej, wyżej położonej.

Filtracja

urządzenia do przeprowadzania filtracji to filtry

wyróżnia się kilka grup filtrów

dwa najważniejsze:

-powolne (biologiczne) zachodzi w nich jednocześnie proces filtracji i biodegradacji, cecha charakterystyczna - niskie natężenie przepływu wody, średnio od 0,1-0,3 m/h, bardzo długie cykle filtracji od 1-6 m-cy, jako wypełnienie, materiał filtracyjny - piasek kwarcowy, filtry jednowarstwowe, wysokość warstwy - ok. 1m, średnica ziaren piasku - 0,3mm,

na powierzchni poszczególnych ziaren piasku rozwija się błona biologiczna, złożona głównie z bakterii saprofitycznych, oraz pierwotniaków, przekształcają one zanieczyszczenia zawarte w wodzie do postaci Co2 i H2O, z wydzieleniem energii - r-cje egzoergiczne

wysokość słupa wody nad złożem piaskowym - 1,5m, filtry te nie są płukane, a ich czyszczenie polega na usuwaniu powierzchniowej ok. 40cm warstwy piasku, po czyszczeniu konieczne przeprowadzenie, tzw. wpracowania złoża, trwającego ok. 2 doby, w tym czasie woda z filtru jest kierowana do kanalizacji, jako ścieki,

osadnik, za osadnikiem filtr powolny, urządzenie do dezynfekcji wody, i zbiornik czystej wody,

lub osadnik, filtr pośpieszny, filtr powolny, urządzenie do dezynfekcji wody i zbiornik wody czystej,

w jednej stacji uzdatniania wody nie może być mniej niż 2 filtry powolne,

stosuje się je do głównie usuwania bakterii z wody (prawie 100% usunięcie), do zmniejszenia mętności wody, uzyskuje się ok. 95% zmniejszenie mętności,

dalsza redukcja 60% utlenialności (utlenialność - ilość tlenu w mg/dm3 pochodząca z utleniacza, którym jest gł. KMnO4, na utlenienie znajdujących się w wodzie zanieczyszczeń organicznych (bezazotowych) i niektórych nieorganicznych)

im bardziej zanieczyszczona woda, tym wyższa utlenialność

filtry powolne mało skuteczne w usuwaniu zanieczyszczeń barwnych i planktonu

-Filtry pośpieszne

wykorzystuje się do :

zatrzymywania znajdujących się w wodzie zawiesin,

usuwania związków żelaza i manganu

przyspieszania procesu koagulacji (kontaktowe)

przeprowadzania jednoczesnej filtracji i adsorpcji (filtry z węglem aktywnym)

1.są jednowarstwowe, piaskowe - rzadko, ale częściej wielowarstwowe i mogą być 2-warstwowe antracytowo-piaskowe, lub 3-warstwowe węglowo-antracytowo-piaskowe,

2.prędkość przepływu przez filtr wody, w filtrach konwencjonalnych 5-25m/h, filtry superpośpieszne powyżej 25m/h,

3. woda przepływa od góry ku dołowi, wyjątek stanowia filtry kontaktowe - odwrotny kierunek od dołu ku górze,

4. w trakcie pracy ulegają dość szybkiemu zanieczyszczeniu, dlatego poddaje się je płukaniu wodą, albo wodą z powietrzem,

5. zawsze po urządzeniach do koagulacji: komory szybkiego i wolnego mieszania, osadniki, filtry pośpieszne, lub inne rozwiązanie: komora wstępna - do wyrównywania ciśnienia wody, dodawanie koagulantu do wody, przed filtrami, filtry pośpieszne - filtry kontaktowe, zachodzi w nich jednocześnie filtracja i koagulacja, ten typ filtracji - bezpośrednia

6. cykl pracy wolniejszy od powolnego, nie może być krótszy od 8h, dla uzdatnianej wody pitnej, nie krótszy od 2h dla uzdatnianej wody przemysłowej

Adsporpcja

def - wiązanie przez porowate ciało stałe substancji rozpuszczonych, wyróżnia się 2 pojęcia:

-adsorbent - ciało stałe wiążące substancję rozpuszczoną, adsorbat - substancja rozpuszczona wiązana przez adsorbent,

rodzaje:

-adsporpcja fizyczna, fizysorpcja

adsorbar na adsorbencie jest wiązany za pomocą sił van der Waalsa

proces łatwo odwracalny

-adsropcja chemiczna - chemisorpcja, w tym procesie adsorbat na adsorbencie wiąże się za pomocą dość silnych wiązań chemicznych - proces trudno odwracalny,

-adsorpcja jonowymienna, polega na elektrostatycznym przyciąganiu przez adsorbent adsorbatu w postaci jonowej,

Cechy adsorbentów:

-powierzchnia właściwa (przypadająca na jednostkę masy adsorbentu) im większa powierzchnia właściwa, tym większa pojemność sorbcyjna adsorbentu

-porowatość, charakteryzuje się rozmiarami porów:

makropory - o promieniach porów większych od 100-200nm

mezopory - pory przejściowe, ich promienie 2-100,200 nm

mikropory - o promieniach porów poniżej 2nm

Przykładowe powierzchnie właściwe adsorbentów:

-węgiel aktywny, powierzchnia właściwa 500-1500m2/g

-dwutlenek manganu 100-300m2/g

-krzemionka aktywowana 250m2/g

-uwodniony dwutlenek glinu 200-300m2/g.

Klasyfikacja adsorbentów

1.mineralne - żel krzemionkowy, jest obojętny chemicznie, hydrofilowy, wytrzymały mechanicznie i termicznie, znajduje zastosowanie do usuwania z wody metali ciężkich

2.tlenki i wodorotlenki metali - uwodniony trójtlenek glinu Al2O3 *1/2H20

usuwanie fluoru z wody

3.zeolity - uwodnione krzemiany i glinokrzemiany, głównie wapnia i sodu, stosuje się je do usuwania jonów amonowych z wody

4.adsorbenty węglowe - tzw. węgle aktywne, otrzymywanie - wytwarza się z pestek owoców, łupin orzechów, drewna, torfu, węgle kopalne, materiał wyjściowy poddaje się pirolizie (działanie wysokich temperatur bez dostępu powietrza), a następnie traktuje się parą wodną, reakcję od 900-1100 st.C, struktura porów tworzących się zależy od ilości pary wodnej zastosowanej i temperatury prowadzenia procesu, zastosowanie - do wychwytywania zanieczyszczeń z wody - metale ciężkie, substancje ropopochodne, detergenty, barwniki, pestycydy, jest wykorzystywany do usuwania ubocznych produktów dezynfekcji za pomocą ozonu, stosuje się do odchlorowywania wody, jako wypełnienie w złożach biologicznych.

Rodzaje węgla aktywnego:

a) pylisty (PWA, PAC) - dodawany do wody w procesie koagulacji, bezpośrednio do komór szybkiego mieszania, do usunięcia z wody substancji ropopochodnych i poprawy właściwości organoleptycznych wody

Wada: - brak możliwości regeneracji,

- powstawanie dużych ilości osadów

b) granulowany (GAC, GWA) stosowany do zabezpieczenia procesów uzdatniania wody przed nagłymi wahaniami jakości uzdatnianej wody.

Parametry charakteryzujące proces złoża węglowego	Zakres zmienności
Czas kontaktu ze złożem węglowym granulowanym	5 - 100 min
Prędkość liniowa przepływu wody	10 - 20 m/h
Objetościowa prędkość przepływu wody	2,3 - 110 m^3/h
Wydajnośc złoża węglowego	0,5 - 10 m
Stopień usuwanych zanieczyszczeń	30 -99%
Zużycie węgla aktywnego	0,012 - 3,6 kg/m^3
Rodzaj płukania złoża	Woda + powietrze

c) biologicznie aktywny węgiel - węgiel akt. Granulowany z rozwiniętą na swojej powierzchni błona biologiczna złożona z mikroorg. Wykorzystywany do usuwania z wody związków o charakterze kancerogennym, toksycznych oraz słabo adsorbujących się np. osady humusowe.

Zaleta - adsorpcja substancji organicznych. - biodegradacja substancji organicznych przez zaadsorbowanie na węgiel mikroorg.

W pierwszym etapie pracy filtra przeważa adsorpcja, a od 3 miesiąca pracy zaczyna nastepować biodegradacja.

Regeneracja w. a. :

Ma na celu usuniecie z powierzchni węgla substancji zaadsorbowanych, których obecność pogarsza właściwości sorbcyjne węgla. Łatwiej ją przeprowadzić gdy ma charakter fizyczny niż gdyby przebiegała w sposób chemiczny. Najpowszechniej stosuje się metody termiczne regeneracji. W tym celu na węgiel działa się parą wodną o temp. Ok. 120 C, albo działająć mieszanina pary wodnej i spalin lub też stosując metode wysokotemperaturową regeneracji w. a.

Metoda wysokotemperaturowa regeneracji w. a.

proces	Zakres temp.	Przemiany
Suszenie	Ok. 100 C	Odparowanie wody
Termiczna desorpcja	100 - 250 C	Fizyczna desorpcja zaadsorbowanych na weglu składników lotnych
Piroliza i karbonizacja	200 - 650 C	Piroliza nielotnych substancji zaadsorbowanych na węglu, karbonizacja węgla
gazyfikacja	650 - 1050 C	Gazyfikacja pozostałości po pirolizie

Trofia - intensywność produkcji pierwotnej w zbiorniku wodnym; intensywność produkcji producentów

Podział zbiorników ze względu na trofię:

1. hipertrofie - zbiorniki o ekstremalnym dopływie skł. Odżywczych i wysokiej produktywności

2. eutroficzne (żyzne) - zbiorniki odznaczające się wysoka produktywnością pierwotna

3. mezotroficzne (przejściowe) - zb. O średniej produkcyjności

4. oligotroficzne (nieprodukcyjne)- zb. o niskiej produkcji pierwotnej

Eutrofizacja - jest to proces polegający na wzroście produkcji pierwotnej ekosystemu spowodowanej dopływem do zbiorników wodnych pierwiastków bigennych takich jak C, N, P a także mikroelementów, hormonów i witamin.

2 wskażniki procesu - dolnej granicy eutrofizacji:

• stęzenie fosforu w ilości 25 μg/dm³ wody

• zawartość chlorofilu a 8 mg/m³ wody

eutrofizacja naturalna - podlegają jej głównie zbiorniki oligotroficzne, produktywność wzrasta stopniowo na skutek kumulowania się skł. Pokarmowych, są to zmiany bardzo powolne liczone w tysiacach lat

eutrofizacja cywilizacyjna - związana z działalnością człowieka.

Przyczyny:

1. wzrost populacji ludzkiej

2. skupianie się lidnosci w miastach

3. punktowe dostarczanie przez miasta olbrzymich ilości ścieków zawierających pierwiastki biogenne

4. intensywny rozwój przemysłu

5. zwiekszenie zuzycia nawozów sztucznych w rolnictwie

6. wzrost erozji glebowej spowodowane wycinaniem lasów

7. odpływ skł. Pokarmowych ze zlewni (terenów wokół zbiornika wodnego_) w wyniku osuszania torfowisk

Skutki:

1. zmniejszenie przezroczystości wody

2. deficyt tlenowy przy dnie zb.

3. specyficzny zapach wody zwiazany z wydzielaniem metanu, amoniaku i siarkowodoru

4. wzrost stężenia substancji toksycznych w wodzie przez co nie nadaje się do picia

5. wypłycanie zbiorników wodnych

6. zakwity mikroorg. Fitoplanktonowych

zakwit :

1. Występowanie dużego zagęszczenia kom. Fitoplanktonu w wodzie, często sygnalizowane zmianą jej barwy np. Na żółtą, pomarańczową, sinoniebieską, brunatna.

2. Osiąganie przez fitoplankton dużego stężenia biomasy mimo że jest to jeszcze nie widoczne makroskopowo.

wartości graniczne świadczące o zaistnieniu zakwitów:

• stężenie chlorofilu a od 20 mg/m³ wodz

• stężenie biomasy fitoplanktonu od 3 g/m³ wody

organizmy tworzące zakwity:

1. zielenice:

Oocystis sp.

Pediastrum sp.

2. dinofity:

Peridinum sp.

Ceratium sp.

3. Eugleniny:

Trachelomonas sp.

4. Okrzemki:

Diatomia sp.

Tabelaria sp.

5. Sinice (tworzą toksyczne zakwity dla człowieka):

Anabaena sp.

Aphanizomena sp.

Anabanopsis sp.

Microcystis sp.

Spirulina sp.

Oscillosona sp.

Czynniki wpływające na rozwój sinic:

• obecnośc jonów metali ciężkich gł. cynk, żelazo

• temperatura 18 -24 C

• pH wody gł 8-9

• wysokie stężenie fosforu i azotu

Rodzaje toksyn wytwarzanych przez sinice:

1. cytotoksyny - są to antybiotyki wytwarzane przez sinice, czynniki przeciwnowotworowe, enzymy, bardzo zróżnicowana budowa chemiczna, nie są letalne dla ludzi i zwierząt, ale wykazuja wysokie spektrum aktywności w stosunku do glon ow, grzybów, bakterii i komórek ssaków

2. biotoksyny:

1. hepatotoksyny: peptydy skł. Się z 5-7 aminokwasów, działanie nawet letalne, dawki letalne hamuja aktywność fosfataz białkowych, przez co powoduja kkurczenie się hepatocytów (kom. Wątroby), efekt działania dawek letalnych: uszkodzenie wątroby, szok krwotoczny, nekroza hepayocytów i rozwój nowotworów wątroby. Działanie dawek subletalnych (np. na skutek przebywania w wodzie z zakwitami): wysypka skurna, goraczka, wymioty, biegunka. Hepatotoksyny dzielimy na nodularyny i mikrocystyny. Microcistis aerogenosa występuje w wodach zalewu Sulejowskiego - Łódź zaprzestała pobierania z niego wody. Dawki dopuszczalne: stężenie mikrocystyn bezp[ieczne dla wody do picia: 0,1 μg/dm³ wody. Stężenie bezpieczne dla funkcjonowania zbiornika 0,2 μg/dm³ wody (są to normy amerykańskie)

2. neurotoksyny: anatoksyna a, anatoksyna a [s], afanototoksyna

Anatoksyna a - wytwarzana przez sinice z rodzaju Anabena, Oscilatoria, alkaloid o działaniu podobnym do działania neuroprzekaźnika acetylocholiny, nie jest rozkładana w kom. Mięśniowych przez enzym estrazę cytocholinową w związku z czym stale pobudza mięsnie do pracy, końcowy efekt działania - zmęczenie mięsni, niedotlenienie mózgu, paraliż mięśni,

Anatoksyna a [s] - wytwarzana przez sinice Anabena pod względem budowy jest zwi,azkiem fosfoorganicznym, podobny do insektycydów, działanie: hamuje aktywność estrazy acetylocholinowej co nieumozliwia rozkład acetylocholiny w kom. Mięśniowych, efekt działania podobny do anatoksyny a.

Afanotoksyna -wytwarzana przez sinice z rodzaju Afanizonenon, alkaloid, hamuje przenoszenie impulsów elektrycznych miedzy neuronami w układzie nerwowym, działanie podobne do wyżej wymienionych

Dawki letalne LD50 (dawka po której umiera 50% komórek, osobników)
Substancja toksyczna	LD50 ­[μg/dm^3]
Cyjanek potasu	10 000
Amanitotoksyna (muchomor sromotnikowy)	1100
Strychnina	500
Toksyna w jadzie grzechotnika	60
Anatoksyna a	200
Mikrocystyna	50
Anatoksyna a [s]	20
Afanotoksyna	10

Metody zapobiegania zakwitom:

1. metody fizyczne:

1. nagłe obniżenie temperatury wody w zbiorniku - przepompowywanie zimniejszej wody z dna zbiornika do cieplejszych jej warstw położonych wyżej.

2. Silne zmętnienie wody: wprowadza się do wody zawiesiny które chamuja proces fotosyntezy uniemożliwiając rozwój fitoplanktonu, negatywne skutki - zbiornik ulega szybko zamuleniu

3. Koagulacja siarczanem glinu, dawka siarczanu 160 mg/dm³ wody. Nie powoduje śmierci fitoplanktonu tylko jego sedymentacje na dno, nie jest to trwały sposób, często stosowana metoda

2. metody chemiczne:

1. miedziowanie wody z zastosowaniem pieciowodnego siarczanu miedzi, dawka stosowana 0,1 mg/dm³ wody, toksyczne działanie utrzymuje się przez 15 -20 dni, metoda nieselektywna, szkodliwie działa na rośliny wodne, ryby i inne zwierzęta. Skuteczności działania obniża się poniżej 15 st. C wody, przy silnie zasadowym pH w granicach 9 - 10 i przy występowaniu Ca w wodzie. Inne stosowane związki chem.: pochodne chinonów, preparat trofowy, nadmanganian potasu, a na skale laboratoryjna srebro katodowe, antybiotyki, związki cynku, etyloamina. Stosowanie ich jest nieopłacalne ze względy na duże koszty. Na skale przemysłowa stosuje się tylko miedziowanie

3. metody biologiczne:

1. biomanipulacja - ma na celu ograniczanie presji ryb planktonożernych na zooplankton

fitoplankton ← zooplankton ← ryby planktonożerne ← ryby drapieżne

wybiurcze usuwanie ryb

planktonożerczych ze zbiornika

zjadanie fitoplanktonu przez zooplankton

w Polsce stosowane w latach 80 XX w. ale bez pozytywnych efektów

Skutki biomanipulacji:

1. rozwój dużych organizmów fitoplanktonowych, zwłaszcza kolonijne sinice, które nie sa zjadane przez zooplankton

2. masowy rozwój gatunków toksycznych nie zjadanych przez zooplankton

3. rozwój drapieżnych zwierząt bezkregowych odżywiajacych się zooplanktonem.

---