Wody wgł bne

TECHNOLOGIA WODY

- WYKŁAD 4 -

PK, WBiI , SZ, SIS-Vsemestr

Wody wgł bne

Rys. 4. Rodzaje wód podziemnych [4],

1 - woda powierzchniowa płyn ca (rzeka, potok, strumie ), 2 - woda powierzchniowa stoj ca (jezioro, staw), 3 - woda zaskórna, 4 - płytka woda gruntowa, 5 - obszar zasilania warstwy wodono nej z opadów,6 - woda wgł bna artezyjska, 7 - samobij ca woda artezyjska, 8 - woda artezyjska, lecz na nieco wy szym terenie(trzeba j pompowa ), 9 - woda infiltracyjna, przesi kaj ca ze zbiornika wody powierzchniowej do gruntu,10 - woda z warstwy szczelinowej (sp kana skała), 11 - ródło naturalne zasilane wod zaskórna,12 - ródło naturalne zasilane wod płytk gruntow , 13 - ródło naturalne zasilane w wod artezyjsk samobij ca, 14 - ródło naturalnej w., lecz bij ce na dnie jeziora

2.3. Substancje rozpuszczone

— formy

substancje rozpuszczalno formy rozpuszcz.

NaCl + jony

AgCl — jony

C₆H₁₂O₆ --- cz steczki

CH₃COOH + jony

2.3. Substancje rozpuszczone (c.d.)

— st enia

rodzaj jednostka

masa / obj to kg/m³ (kg ·m^-3), mg/l masa / masa mg/kg, ppm, ppb

molarno mol/dm³ (M)

normalno równowa nik/dm³ (N)

2.3. Substancje rozpuszczone (c.d.)

— st enia

rodzaj jednostka

masa / obj to kg/m³ (kg ·m^-3), mg/l masa / masa mg/kg, ppm, ppb

molarno mol/dm³ (M)

normalno równowa nik/dm³ (N)

— ładunek jonów

— przeliczanie jednostek i st e

Woda chemicznie czysta H₂O

Woda w przyrodzie

H₂O 8.

Woda w przyrodzie

OPADY

Ewapotranspiracja

Infiltracja Strefa areacji

Strefa saturacji Perkolacja Perkolacja

Rzeka Pzrechwytywanie

Spływ powierzchniowy

H₂O

zw. organiczne

CO₂ agresywny zawiesiny

zapach nadmierny ChZT

pestycydy barwa i m tno mikrofauna

wirusy bakterie zapach ro linny

elazo, mangan

twardo metale CH₄; H₂S

8.

Woda w przyrodzie

Woda w przyrodzie cd

3. JAKO WODY

— Przemysł: normy bran owe ruchowe

— Rolnictwo: st enie mikroorganizmów

— Ludno : Rozporz dzenie Ministra Zdrowia z dnia 4.09.2000 w sprawie warunków jakim powinna odpowiada woda do picia i na

potrzeby gospodarcze (Dziennik Ustaw RP

nr 82 z dnia 4.11.2000 r.); zmiany z grudnia 2002

4. WARUNKI ORGANOLEPTYCZNE JAKIM WINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA

Barwa mg Pt/dm³ < 15

M tno mg SiO₂/dm³ < 1

Organizmy niewidoczne

Plamy olejowe niewidoczne

Zawiesina niewidoczna

Zapach akceptowalny

Wska nik Jednostka Wymagania

5. WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE JAKIM

POWINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA

Wska nik Jednostka NDS

Amoniak mg/l 0,5

Azotany mg/l 50

Azotyny mg/l 0,1

Chlor mg/l 0,3

Chlorki mg/l 250

Fluorki mg/l 1,5

Siarczany mg/l 250

5. WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)

Wska nik Jednostka NDS

Cynk mg/l 3

Kadm mg/l 0,003

Mangan mg/l 0,05

Ołów mg/l 0,01

elazo mg/l 0,2

Benzen µµµµg/l 1 (0,001)

Benzo(a)piren µµµµg/l 0,01 (WWA)

ΣΣΣΣWWA µµµµg/l 100

Chlorofenole µµµµg/l 10 (ppz)

5. WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)

Wska nik Jednostka NDS

Chloroform µµµµg/l 30 (THM)

ΣΣΣΣ THM µµµµg/l 100

PCB µµµµg/l 0,5

ΣΣΣΣ pestycydów µµµµg/l 0,5

ChZT (^KMnO4) µµµµg/l 5000

6. WARUNKI BAKTERIOLOGICZNE JAKIM POWINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA

Wska nik Dopuszczalna Obj to

liczba bakterii próbki

Escherichia coli 0 100

Enterokoki 0 100

Clostridium perfiringes 0 100

Ogólna liczba bakterii (37°C) 20 1

7. DOPUSZCZALNE WARTO CI

WSKA NIKÓW ZANIECZYSZCZE

Kraj Polska WHO UE USA Rosja

Barwa mg Pt/l

15 15 20 15 -

M tno mg SiO₂/l

1 5 2 1 5

Odczyn pH 6,5 - 8,5 6,5 - 8,5 6,5 - 8,5 6,5 - 8,5 6,5 - 8,5

elazo mg/l

0,2 0,3 0,3 0,5 0,5

Detergenty mg/l

0,2 - 0,2 0,5 0,5

H₂O

zw. organiczne

CO₂ agresywny zawiesiny

zapach nadmierny ChZT

pestycydy barwa i m tno mikrofauna

wirusy bakterie zapach ro linny

elazo, mangan

twardo metale CH₄; H₂S

8.

Woda w przyrodzie

Woda w przyrodzie cd

H₂O

zw. organiczne

CO₂ agresywny zawiesiny

zapach nadmierny ChZT

pestycydy barwa i m tno mikrofauna

wirusy bakterie zapach ro linny

elazo, mangan

twardo metale CH₄; H₂S

filtracja (powolna)

sedymentacja cedzenie

dezynfekcja wi zanie

chemiczne

sorpcja

utlenianie koagulacja

napowietrzanie

sedymentacja filtracja (szybka)

8.

Schematy Technologiczne w Oczyszczaniu Wody

— woda powierzchniowa a) zawiesina

b) koloidy

c) organiczne zw. refrakcyjne

— woda wgł bna a) ‘czysta’

b) zakwaszona

c) za elaziona

Układy technologiczne

— usuwanie zawiesin

F D Wu

Wz

Wu

Wz F

S

D

Wu - woda uzdatniona Wz - woda zasilaj ca F - filtracja

D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie

Układy technologiczne (c.d.)

— usuwanie barwy i m tno ci

Wu

Wz D

Wu - woda uzdatniana Wz - woda zasilaj ca F - filtracja

D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie

Wz Wu

F S

K U

D F

S K

— usuwanie zawiesin, barwy i m tno ci

Układy technologiczne (c.d.)

Wz

Wu D F

S K

U^w Up

A

A- adsorpcja D- dezynfekcja Opcja:

utlenianie

Warstwa nieprzepuszczalna

Warstwa wodono na

Wody wgł bne

Migracja w.powierz.

Woda gruntowa Studnia gł binowa

Warstwa

nienasycona / nasycona Depresja/Lej

Dziesitki lat

Woda wgł bna

Prawidłowe Wysortowanie? Scementowanie?

Warstwa wodono na (nasycenia/saturacji)

Strefa areacji

Strefa saturacji

Lustro wody gruntowej w czasie suszy

Studnia Strumie

Warstwy o zmniejszonej porowato ci dni

lata dekady stulecia tysi clecia Linie przepływu

Dopływ podziemny

Zlewnia

Poziom wody gruntowej

Wody Woda

wgłbne gruntowa

Wody podziemne

Czynniki wpływaj ce na skład wód podziemnych:

- rodzaj i budowa skał z którymi si kontaktuj - stopnia ich zwietrzenia i uziarnienia

- pr dko ci ruch wody podziemnej

- stopnia zmieszania z wodami powierzchniowymi i opadowymi

Procesy jednostkowe kształtuj ce skład wód podziemnych - utlenianie i redukcja

- rozpuszczanie i str canie - hydratacja i hydroliza

- sorpcja, desorpcja i wymiana jonowa - procesy biochemiczne

Utlenianie i redukcja

Dotyczy: C, S, Fe, Mn, N (przede wszystkim)

FeS + H₂O + O₂ = Fe(OH)₃ + H₂SO₄

2H+ + SO₄ ^2- -wzbogacenie w SO₄ ^2- -zakwaszenie

CaCO₃

Ca(HCO₃)₂+ + Ca ²⁺

-wzrost mineralizacji -wzrost twardo ci

-gdy zabraknie tlenu SO₄ ^2- + CH₂O + H₂O = H₂S + 2 HCO₃^- NO₃^- + CH₂O + H₂O = N₂ + 2 HCO₃

-przykład reakcji w obecno ci tlenu

-wzrost twardo ci -odór

CH2O+O2=CO2+H2O

- kolejno jako utleniacze wykorzystywane b d :

MnO₂ + CH₂O = Mn ²⁺ + CO₂ + 2 OH^- Fe₂O₃ + CH₂O = Fe ²⁺ + CO₂ + OH^- NO₃ ^- + CH₂O = N₂ + CO₂

SO₄ ^2- + CH₂O = H₂S + CO₂

-wzrost Fe ²⁺ , Mn ²⁺

-wzrost CO₂ -siarkowodór

Ługowanie skał (rozpuszczanie)

- wywiera bardzo istotny wpływ na skład wód podziemnych

NaCl = Na ++ Cl^-

CaO×2Al₂O₃×4SiO₂ + CO₂ + H₂O = Ca ²⁺ + 2 HCO₃ ^- +

+ 2H₄Al₂SiO₄ CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)

Wzrost mineralizacji Wzrost twardo ci

anortyt

illit

Wytr canie minerałów

- iloczyn rozpuszczalno ci

CaCO₃ Ca ²⁺ + CO₃ ^2-

Ir = [Ca ²⁺ ] x [CO₃ ^2- ] = 10 ^-10

[c Ca ²⁺ ] = [c CO₃ ^2- ] = 10 ^-5 mol/dm³

- przykład reakcji

Ca ²⁺ + SO₄ ^2- = CaSO₄

gips

Sorpcja. Desorpcja. Wymiana jonowa.

Procesy zale ne od:

- pH- Eh

- siły jonowej

- st enia substancji

Substancje wyst puj ce w wodach wgł bnych

1. Rozpuszczone gazy:

- główne: O₂, CO₂, CH₄, H₂S - ladowe NH₃, SO₂, HCl

CO₂-wolny

Równowaga w glanowa

2. Aniony: SO₄ ^2-, Cl ^- , HCO₃ ^-

3. Kationy: Na⁺ , K ⁺ , Fe ²⁺ , Mn ²⁺ , Mg ²⁺

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^- = 2H⁺ + CO₃ ^2- + CaCO₃

Ca(HCO₃) ₂ CO₂

CO₂ ‘przynale ny’

‘zwi zany’

To jeszcze nie wszystko....

CO₂ atmosferyczny Jeszcze jedna forma...

Tak wygl da uproszczona `równowaga w glanowa w wodzie

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^- = 2H⁺ + CO₃ ^2- + Ca ²⁺

Ca(HCO₃) ₂ CO₂

CO₂ ‘przynale ny’

CO₂ atmosferyczny W wodach wgł bnych..

Tak wygl da uproszczona `równowaga w glanowa’ w wodzie wgł bnej

C6H12O6+O2=CO2+H2O H++HCO3-=CO2+H2O

CO2+CaCO3+H2O=Ca(HCO3)2

CO2 ‘agresywny’

+ Ca ²⁺

CaCO₃

4 6 8 10 pH Udział %

100

50 CO₂ HCO₃^- CO₃^2-

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^- 2H⁺ + CO₃^2- Zale no od pH:

Wody podziemne. Podsumowanie

1. Du a mineralizacja

2. Du o rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardo

4. Zawarto agresywnego CO₂ 5. Brak mikrozanieczyszcze

6. Brak mikroorganizmów

7. Klarowne (minimalna barwa i m tno )

Wniosek:

- wymagaj specyficznych metod oczyszczania

Infiltracja. Definicja

1. Oczyszczanie wody powierzchniowej w gruncie.

Grunt traktowany tu jest jako bioreaktor

2. Metoda zwi kszania zasobów wód podziemnych, lub oczyszczania wód powierzchniowych

STUDNIA

Linie przepływu Woda gruntowa

Wsi kanie wód opadowych

w grunt ródełko ‘wybija’ w miejscu gdzie poziom

wody gruntowejosi ga powierzchni

ródełko Rzeczka

Ruch wody wsi kanie wody) przez stref areacji

Poni ej poziomu wody gruntowej, woda migruje wzdłu zakrzy- wionych linii przepływu, do rejonów o obni onym poziomie w.g.

Infiltracja. Schemat urz dze

Rzeka Basen Studnia infiltracyjna

S.chłonna Drena

Naturalna Infiltracja

Sztuczna doby

Współczynnik filtracji k= v h l

(m/s)

k=2 10^-4m/s

Pr dko filtracji Ró nica poziomów Odległo

Woda powierzchniowa musi spełnia nast puj ce warunki:

- m tno <20 - barwa <40

- glony <10000/cm³ - bakterie <5000/cm³

- subs.pow.czynne <0,5g/m³

?

Ze wzgl du na kolmatacj .

Infiltracja jako proces oczyszczania wody.

Filtracja (przesi kanie) wody przez - naturalny filtr

- o wła ciwo ciach sorpcyjnych

- modyfikuj cy skład wody w wyniku reakcji chemicznych (strefa areacji, strefa saturacji, osady)

Infiltracja - proces oczyszczania wody, w którym warstw wodono n wykorzystuje si jako reaktor o du ej obj to ci

Infiltracja. Procesy jednostkowe.

Woda Osad S.areacji S.sateracji

Sedymentacja Samokoagulacja Fotoliza Hydroliza Pr.biochemiczne Filtracja Wymiana jonowa Sorpcja Urednianie Rozpuszczanie

+ + + + + + + + + ++ + +

- + + -- + + - - + -- - +

Wpływ na skład wody:

+ du y - redni

mały,lub aden

Basen

infiltracyjny

Infiltracja.

Procesy zachodz ce w warstwie wodono nej

1.Reakcje chemiczne:

2Fe₂S₃ + 12O₂ 4FeSO₄ + H₂SO₄ C₆H₁₂O₆ +3O₂ 6CO₂ + 6H₂O

C₆H₁₂O₆ + 2NO₃^- 6CO₂ + 6H₂0 + N₂

10Fe ²⁺ + 2NO₃^- + 24H₂O N₂ + 10Fe(OH)₃ + 18H⁺

H₂SO₄ + 2HCO ₃^- SO₄ ^2- +CO₂ + H₂O A.Strefa areacji. Warstwa o małej mi szo ci - ok. 2m

2. Reakcje biochemiczne ograniczaj si do warstwy powierzchniowej o grubo ci ok. 1m

Dlaczgo?

3. Sorpcja odgrywa tu mniej istotn rol bowiem mamy do czynienia z innymi składnikami gruntu.

Jakimi?

4. W strefie tej zachodz nast puj ce zmiany:

CO₂↑ , NO₃^- ↓ , O₂ ↓ Czy na pewno?

B. Strefa saturacji. Strefa beztlenowa

1. Warstwa o du ej mi szo ci (kilkaset metrów) 2. Zachodzi redukcja azotanów

10Fe ²⁺ + 2NO₃^- + 24H₂O N₂ + 10Fe(OH)₃ + 18H⁺ C₆H₁₂O₆ + 2NO₃^- 6CO₂ + 6H₂0 + N₂

3. Zakwaszenie- dalsze

10Fe ²⁺ + 2NO₃^- + 24H₂O N₂ + 10Fe(OH)₃ + 18H⁺ 4.Wzrost st enia manganu

6MnO₂ + C₆H₁₂O₆ 6Mn ²⁺ + 6CO₂ + 6H₂O 5. Wzrost st enia elaza

2Fe(OH)₃ + 2NO₂^- 2Fe(OH)₂ + 2NO₃^- + H₂O

Infiltracja. Skuteczno .

Zale y od:

- składu wody powierzchniowej - sposobu infiltracji

- czasu zatrzymania wody w gruncie - rodzaju gruntu

- charakterystyki eksploatacji

Jakie zanieczyszczenia wody/składniki s usuwane?

- zawiesina - koloidy

- metale ci kie (20-95%)

- hydrofobowe zanieczyszczenia organiczne - bakterie, pierwotniaki

- ChZT (ok. 50%)

Jakie zanieczyszczenia/składniki wody s ‘dodawane’?

- CO₂ agresywny - Fe ²⁺

- Mn ²⁺

- mineralizacja

- H₂S, NH₃ (sporadycznie)

Woda po infiltracji nie traci cech (organoleptycznych) wody naturalnej

Woda po infiltracji cz sto musi by dodatkowo uzdatniana (ale) zakres uzdatniania jest znacznie mniejszy (i nie

wymaga chemikali) ni w przypadku wód powierzchniowych.

Wniosek

Instalacja do uzdatniania/infiltracji wody w Wiesbaden/RFN

1

2 3

4 5?

K S F

6?

N C F N F D Z

Woda uzdatniona

1.piaskownik 2.osadnik

3.b.infiltracyjny 4.s.ujmuj ca 5.s.infiltracyjna 6.drena

10%

90%

U ytkownicy

Woda rzeczna A

Wody wgł bne/infiltracyjne. Podsumowanie

1. Du a mineralizacja

2. Du o rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardo

4. Zawarto agresywnego CO₂ 5. Brak mikrozanieczyszcze

6. Brak mikroorganizmów

7. Klarowne (barwa, m tno )

Wniosek:

- wymagaj specyficznych metod oczyszczania