UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA

INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA

Zakład Technologii Wody, Ścieków i Odpadów

Ćwiczenia laboratoryjne

z Odnowy Wody

USUWANIE FOSFORANÓW PRZEZ

KOAGULACJĘ WAPNEM

Marta Żukowska

Adam Pluta

Sławomir Ławniczak

Gr.45 b

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

W procesie koagulacji ścieków są usuwane zanieczyszczenia organiczne i

nieorganiczne, o rozdrobnieniu koloidalnym, oraz zawiesiny, a także częściowo

substancje rozpuszczone. Koagulację w procesach odnowy wody stosuje się w celu

zmniejszenia mętności oraz zawartości związków fosforowych, a także związków

organicznych mierzonych wskaźnikami ChZT, BZT₅, OWO.

W procesie koagulacji występują dwie fazy: destabilizacji i flokulacji.

Faza destabilizacji występuje bezpośrednio po dodaniu czynnika koagulującego.

Mechanizm destabilizacji polega na:

• Obniżeniu potencjału elektrokinetycznego,

• Dehydratacji,

• Utlenieniu koloidów ochronnych.

Faza flokulacji obejmuje reakcje fizyczne, które pod wpływem ruchów Browna

powodują powstawanie kłaczków. Trudne jest ustalenie momentu rozpoczęcia

flokulacji po dodaniu koagulanta. Część chemiczna procesu jest zakończona po czasie

0,1 s a wielkość kłaczka wynosi wówczas ok. 10-6 m. Podczas flokulacji dochodzi do

zwiększenia rozmiarów kłaczka do 10-3 m. Wapno jest najpopularniejszym koagulantem stosowanym w odnowie wody, jego zaletą jest dokładność dawkowania oraz to, że nie zwiększa zasolenia ścieków (przeciwnie do soli glinu i żelaza). Dobre efekty usuwania zanieczyszczeń ze ścieków daje także koagulant dolomitowy.

W zależności od pH wyróżniamy:

• koagulację małymi dawkami wapna (LLP) dla pH 9.5 - 10.5,

• koagulację dużymi dawkami wapna (HLP) dla pH 11.0 - 11.5.

Idea oczyszczania ścieków polega na wykorzystaniu koagulacyjnych i adsorpcyjnych właściwości wodorotlenku magnezowego Mg(OH)₂.

Podczas koagulacji wapno reaguje ze związkami wapnia i magnezu:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃¯ + H₂O

Ca(OH)₂ + Ca(HCO3)₂ = 2CaCO₃¯ + 2H₂O LLP

Ca(OH)₂ + Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃¯ + CaCO₃¯ + 2H₂O

Ca(OH)₂ + MgCO₃ = Mg(OH)₂¯ + CaCO₃¯ HLP

Gdy magnez wchodzi w skład twardości niewęglanowej, wówczas zachodzi jego

wymiana na wapń:

Ca(OH)₂ + Mg₂+ = Mg(OH)₂¯ + Ca₂+¯

Znaczące wytrącanie Mg(OH)₂ występuje przy pH>10,5 i wraz ze wzrostem pH oraz

temperatury maleje jego rozpuszczalność.

Koagulacja wapnem z wytrąceniem magnezu składa się z dwóch etapów:

- do pH~10.5 - wiązanie CO₂, dawka wapna zależna jest od kwasowości i

zasadowości ogólnej,

- pH>10.5 - wzrost jonów OH-, wytrącenie Mg(OH)₂ do galaretowatego osadu,

całkowite wytrącenie następuje przy pH 11.2 - 11.5

5 Ca(OH)₂ + 3PO₄^-3 = Ca₅OH(PO₄)₃¯ + 9OH-

3 Ca(OH)₂ + 2PO₄^-3 = Ca₃(PO₄)₂¯ + 6OH-

4 Ca(OH)₂ + 3PO₄^-3 + H₂O = Ca₄H(PO₄)₃¯ + 9OH

Procesy towarzyszące koagulacji wapnem:

usuwanie fosforanów - na drodze chemicznego strącania a także przez

koagulację i adsorbcję,

ortofosforany - wytrącają się w postaci Ca₃(PO₄)₂ lub Ca₅OH(PO₄)₃ rzadziej w

postaci Ca₄H(PO₄)₃,

polifosforany - usuwa się przez adsorpcję i strącanie wapnem,

fosforany w postaci koloidów - usuwa się przez koagulację (HLP),

klarowanie ścieków - zależy od zasadowości oraz ilości CaCO₃ i Mg(OH)₂,

usuwanie związków organicznych - poprzez adsorpcję na CaCO₃ i Mg(OH)₂,

dezynfekcja wirusów i bakterii - koagulacja dużymi dawkami wapna,

usuwanie metali - całkowite wytrącenie.

2. CEL ĆWICZENIA

Celem przeprowadzonego ćwiczenia było określenie optymalnej dawki wapna w oparciu o obliczony stopień obniżenia zawartości fosforanów.

3. WYKONANIA ĆWICZENIA

Wykonane ćwiczenie laboratoryjne polegało na dawkowaniu wapna do wcześniej przygotowanych 1-litrowych prób ścieków tak by pH roztworów było odpowiednio równe:

• 9,5

• 10,5

• 11,5

Przygotowane w ten sposób próby wstawiliśmy do koagulatora i poddaliśmy wolnemu mieszaniu z prędkością 18 obrotów na minutę w czasie 20 minut. Mieszanie szybkie zostało pominięte by uniknąć rozbicia kłaczków .

Po przeprowadzeniu procesu koagulacji próby zostały odstawione na około 30 minut celem sedymentacji zawiesin.

W sklarowanych cieczach oznaczyliśmy odczyn, zasadowość, utlenialność oraz fosforany. Te same oznaczenia wykonaliśmy dla ścieków surowych.

4. WYNIKI

• Miano wody wapiennej
  

• pH wody wapiennej
  

• Na doprowadzenie prób do odpowiedniego
  zużyto:

Nr próby	Ilość wody wapiennej	Ilość	Wartość po doprowadzeniu
Ścieki surowe	-	-	7,7
1	60,0	-	9,5
2	140,0	-	10,5
3	200,0	5	11,5

Dawka wapna:

Nr próby	Dawka wapna	pH przed koagulacją	pH po koagulacji
1	54,0	9,5	9,2
2	126,0	10,5	10,1
3	2530,0	11,5	11,2

- w 1 dm³ wody wapiennej jest 952 mg CaO

1 ml= 0,9 mg CaO

-NaOH ( 320g/680 ml H₂O)

→ I próba:

1 ml → 0,9 mgCaO

60,0→ x [mgCaO]

x= 54,0 mgCaO/dm³

→ II próba:

1 ml → 0,9 mgCaO

140,0 ml→ x [mgCaO]

x= 126 mgCaO/dm³

→ III próba:

1 ml → 0,9 mgCaO

200,0 ml→ x [mgCaO]

x= 180,0 mgCaO/dm³

- po dodaniu NaOH (1,6 ml)

1 ml= [320:680=0,47 g]

1 ml= 0,47 g= 470 mg

mgNaOH

Razem:

180,0+2350,0=2530,0 mg(CaO,NaOH)/dm³

• Zestawienie wyników:

				Próba zerowa	Rozcieńczenie		Ilość ml KMnO4 zużyta na zmiareczkowanie		Utlenialność [mgO2/dm^3]
Utlenialność	Ścieki surowe			0,4	1:1		2,2		1,8
		Po procesie	1.		0,4	1:2		1,4		2,0
				2.		0,4	1:5		0,7		1,5
				3.		0,4	1:5		0,5		0,5
	Zasadowość				Ilość ml HCl zużyta na zmiareczkowanie			Zasadowość [mval/dm^3]
		Ścieki surowe			3,5			3,5
		Po procesie		1.	3,6			3,6
						2.	3,9			3,9
						3.	9,7(1:5)			48,5
	Fosforany				Rozcieńczenie		Ekstynkcja		Fosforany [mg/dm^3]
		Ścieki surowe			1:5		0,303		4,92
		Po procesie		1.	1:5		0,088		1,43
						2.	1:5		0,059		0,96
						3.	1:5		0,049		0,79

5. WNIOSKI.

Po przeprowadzonym ćwiczeniu laboratoryjnym potwierdziły się nasze założenia teoretyczne. Dodając do ścieków wapno w postaci wody wapiennej podnieśliśmy ich pH i zasadowość. Zauważyliśmy, że wraz ze wzrostem dawki wapna dodawanej do poszczególnych prób (54,0 ; 126,0 ; 2530 mgCaO) rośnie ich pH i zasadowość (im wyższe pH, tym wyższa zasadowość). Zauważyliśmy również, że po przeprowadzeniu procesu koagulacji w przypadku każdej próby nastąpiło nieznaczne obniżenie pH w stosunku do wartości początkowej.

Wytrącenie znacznej większości fosforanów ze ścieków następuje już przy pH w granicach 9.5 - 10, lecz najwyższy stopień usunięcia fosforanów jest możliwy dopiero w przedziale pH od 11 do 11.5. Wzrost stopnia usuwania fosforanów przy pH powyżej 11 wynika z koagulacyjnych i adsorpcyjnych właściwości wytrącanego wodorotlenku magnezu.

W przypadku fosforanów otrzymaliśmy dobre wyniki, gdyż usuwana ich ilość regularnie spadała wraz ze wzrostem wartości pH w badanych próbach. Za optymalną dawkę wapna uznaliśmy 2530 mgCaO ( III próba), która spowodowała wzrost pH do 11.5 przed koagulacją i 11,2 po koagulacji. W tej próbie zostało usuniętych najwięcej fosforanów w ilości 0,79 mg/dm³. W przypadku oznaczenia utlenialności, jej wartość malała wraz ze zwiększaniem wartości pH . W III próbie również otrzymaliśmy najmniejszą wartość utlenialności.

---