Technologia Wody

Technologia Wody

Wykład 7(1)

Politechnika Koszalińska

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Studia Zaoczne, 3 rok

Wody podziemne

Infiltracja

H₂O

zw. organiczne

CO₂ agresywny zawiesiny

zapach nadmierny ChZT

pestycydy barwa i mętność mikrofauna

wirusy bakterie zapach roślinny

żelazo, mangan

twardość metale CH₄; H₂S

Woda w przyrodzie

Woda w przyrodzie

H₂O

zw. organiczne

CO₂ agresywny zawiesiny

zapach nadmierny ChZT

pestycydy barwa i mętność mikrofauna

wirusy bakterie zapach roślinny

żelazo, mangan

twardość metale CH₄; H₂S

filtracja (powolna) sedymentacja cedzenie

dezynfekcja wiązanie

chemiczne

sorpcja

utlenianie koagulacja

napowietrzanie

sedymentacja filtracja (szybka)

3. JAKOŚĆ WODY

— Przemysł: normy branżowe ruchowe

— Rolnictwo: stężenie mikroorganizmów

— Ludność: Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 4.09.2000 w sprawie warunków jakim powinna odpowiadać woda do picia i na

potrzeby gospodarcze (Dziennik Ustaw RP

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

WARUNKI ORGANOLEPTYCZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA

Wskaźnik Jednostka Wymagania

Plamy olejowe Zawiesina

Zapach

Barwa mg Pt/dm³ < 15

Mętność mg SiO₂/dm³ < 1

Organizmy niewidoczne

niewidoczne niewidoczna akceptowalny

WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA

Wskaźnik Jednostka NDS

Amoniak Azotany Azotyny Chlor Chlorki Fluorki Siarczany

0,5 50

0,1 0,3 250

1,5 250 mg/l

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)

Wskaźnik Jednostka NDS

Cynk Kadm Mangan Ołów Żelazo Benzen

Benzo(a)piren

3

0,003 0,05 0,01 0,2

1 (0,001) 0,01 (WWA) µg/l

µg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

Σ WWA

Chlorofenole

µg/l µg/l

100

10 (ppz)

WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)

Wskaźnik Jednostka NDS

Chloroform Σ THM

PCB

Σ pestycydów ChZT (KMnO₄)

30 (THM 100

0,5 0,5 µg/l 5000

µg/l µg/l µg/l µg/l

WARUNKI BAKTERIOLOGICZNE JAKIM POWINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA

Wskaźnik Dopuszczalna

liczba bakterii

Objętość próbki Escherichia coli

Enterokoki

Clostridium perfiringes Ogólna liczba bakterii (37°C)

100 100 100 20 1

0 0 0

6,5 - 8,5 6,5 - 8,5 6,5 - 8,5 6,5 - 8,5

Detergenty mg/l

Żelazo mg/l Odczyn

pH Mętność

mg SiO₂/l Barwa

mg Pt/l

DOPUSZCZALNE WARTOSCI

WSKAŹNIKÓW ZANIECZYSZCZEŃ

Kraj Polska WHO UE USA Rosja

15 15 20 15 -

1 2 1 5 5

6,5 - 8,5

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

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

Schematy Technologiczne w Oczyszczaniu Wody

— woda powierzchniowa a) zawiesina

b) koloidy

c) organiczne zw. refrakcyjne

— woda wgłębna a) ‘czysta’

b) zakwaszona

c) zażelaziona

Układy technologiczne

— usuwanie zawiesin

F D Wu

Wz

Wu

Wz F

S

D

Wu - woda uzdatniona Wz - woda zasilająca F - filtracja

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

Układy technologiczne (c.d.)

— usuwanie barwy i mętności

Wu

Wz D

Wu - woda uzdatniana Wz - woda zasilająca F - filtracja

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

Wz Wu

F S

K U

D F

S K

— usuwanie zawiesin, barwy i mętności

Układy technologiczne (c.d.)

Wz

Wu D F

S K

U U

A

A- adsorpcja D- dezynfekcja Opcja:

utlenianie

Warstwa nieprzepuszczalna

Warstwa wodonośna

Wody wgłębne

Migracja w.powierz.

Woda gruntowa Studnia głębinowa

Warstwa

nienasycona / nasycona Depresja/Lej

Dziesiątki lat

Woda wgłębna

Prawidłowe Wysortowanie? Scementowanie?

Warstwa wodonośna (nasycenia/saturacji)

Strefa areacji

Strefa saturacji

Lustro wody gruntowej w czasie suszy

Studnia Strumień

Warstwy o zwiększonej porowatości dni

lata dekady stulecia tysiąclecia Linie przepływu

Dopływ podziemny

Zlewnia

Poziom wody gruntowej

Wody wgłębne

Wody podziemne

Czynniki wpływające na skład wód podziemnych:

- rodzaj i budowa skał z którymi się kontaktują - stopnia ich zwietrzenia i uziarnienia

- prędkości ruch wody podziemnej

- stopnia zmieszania z wodami powierzchniowymi i opadowymi

Procesy jednostkowe kształtujące skład wód podziemnych - utlenianie i redukcja

- rozpuszczanie i strącanie - 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 twardości

-gdy zabraknie tlenu SO₄ ^2- + CH₂O + H₂O = H₂S + 2 HCO₃^- NO ^- + CH O + H O = N + 2 HCO

-przykład reakcji w obecności tlenu

-wzrost twardości -odór

CH2O+O2=CO2+H2O

- kolejno jako utleniacze wykorzystywane będą:

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)^2-

Wzrost mineralizacji Wzrost twardości

Wytrącanie minerałów

- iloczyn rozpuszczalności CaCO₃ Ca ²⁺ + CO₃ ^2-

Ir = [Ca ²⁺ ] x [CO₃ ^2- ] = 10 ^-8

[c Ca ²⁺ ] = [c CO₃ ^2- ] = 10 ^-4 mol/dm³

- przykład reakcji

Ca ²⁺ + SO₄ ^2- = CaSO₄

gips

Sorpcja. Desorpcja. Wymiana jonowa.

Procesy zależne od:

- pH - Eh

- siły jonowej

- stężenia substancji

Substancje występujące w wodach wgłębnych 1. Rozpuszczone gazy:

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

CO₂-wolny

Równowaga węglanowa

2. Aniony: SO₄ ^2-, Cl ^- , HCO₃ ^-

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

Dwutlenek węgla. CO

Rozpuszczalność CO₂ w wodach podziemnych cCO₂

mg/l

cCO₂ = H x pCOH ₂

pCO₂ = 0.0004 kPa cCO₂ = 1.03 mg/l 10

20

pCO₂ kPa 500 1000

0°C

20°C

CO₂ + H₂O = H₂CO₃

H + CO₃^2- H + HCO₃^-

‘agresywny’

‘półzwiązany’

‘związany’

4 6 8 10 pH Udział %

100

50 CO₂ HCO₃^- CO₃^2-

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^- 2H⁺ + CO₃^2- Zależność od pH:

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

Ca(HCO₃) ₂ CO₂

CO₂ ‘przynależny To jeszcze nie wszystko....

CO₂ atmosferyczny Jeszcze jedna forma...

Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa w wodzie

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

Ca(HCO₃) ₂ CO₂

CO₂ ‘przynależny’

CO₂ atmosferyczny W wodach wgłębnych..

Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa’ w wodzie wgłębnej

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

CO2+CaCO3+H2O=Ca(HCO3)2

CO2 ‘agresywny’

+ Ca ²⁺

CaCO₃

Wody podziemne. Podsumowanie

1. Duża mineralizacja

2. Dużo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardość

4. Zawartość agresywnego CO₂ 5. Brak mikrozanieczyszczeń 6. Brak mikroorganizmów

7. Klarowne (barwa, mętność) Wniosek:

- wymagają specyficznych metod oczyszczania

Infiltracja. Definicja

1. Oczyszczanie wody powierzchniowej w gruncie.

Grunt traktowany tu jest jako bioreaktor

2. Metoda zwiększania zasobów wód podziemnych, lub oczyszczania wód powierzchniowych

Infiltracja. Rozpowszechnienie

15-35 % ujmowanej wody w różnych krajach 17% w Polsce

Ujęcia wód powierzchniowych dla celów komunalnych:

- Warszawa, Wrocław, Płock, Poznań, Koszalin...

STUDNIA

Linie przepływu Woda gruntowa

Wsiąkanie wód opadowych w grunt

Źródełko ‘wybija’ w miejscu gdzie poziom wody gruntowejosiąga powierzchnię

Źródełko Rzeczka

Ruch wody wsiąkanie wody) przez strefę areacji

Poniżej poziomu wody gruntowej, woda migruje wzdłuż zakrzy- wionych linii przepływu, do rejonów o obniżonym poziomie w.g.

Infiltracja. Schemat urządzeń

Rzeka Basen Studnia infiltracyjna

S.chłonna Drenaż

Naturalna Infiltracja

Sztuczna doby

Współczynnik filtracji k= v h l

(m/s)

k=2 10^-4m/s

Prędkość filtracji Różnica poziomów

Odległość

Woda powierzchniowa musi spełniać następujące warunki:

- mętność <20 - barwa <40

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

- subs.pow.czynne <0,5g/m³

?

Ze względu na kolmatację.

Kolmatacja v

(m/s)

0,2 1,0

t(lata)

2 4

k- rośnie (?) maleje (?)

Infiltracja jako proces oczyszczania wody.

Filtracja (przesiąkanie) wody przez - naturalny filtr

- o właściwościach sorpcyjnych

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

Infiltracja - proces oczyszczania wody, w którym warstwę wodonośną wykorzystuje się jako reaktor o dużej objętości

Infiltracja. Procesy jednostkowe.

Woda Osad S.areacji S.sateracji

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

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

Wpływ na skład wody:

+ duży - średni

mały,lub żaden

Basen

infiltracyjny

Infiltracja. Efekty

Warstwa osadów

Zawartość zanieczyszczeń w gruncie

Wskaźnik Jednostka Piasek Osad zanieczyszczenia

C_organiczny mg/g 9,0 35

Pb µg/g 17,0 50 Cd µg/g 0,7 4

Infiltracja.

Procesy zachodzące w warstwie wodonośnej

Zachodzą tu procesy biochemiczne uwarunkowane:

- temperaturą

- jakością i ilością organizmów

- stężeniem i jakością mikrozanieczyszczeń

- rodzajem podłoża (gruntu, skały macierzystej)

Infiltracja.

Procesy zachodzące w warstwie wodonośnej

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 miąższości - ok. 2m

2. Reakcje biochemiczne ograniczają się do warstwy powierzchniowej o grubości ok. 1m

Dlaczgo?

3. Sorpcja odgrywa tu mniej istotną rolę bowiem mamy do czynienia z innymi składnikami gruntu.

Jakimi?

4. W strefie tej zachodzą następujące zmiany:

CO₂↑ , NO₃^- ↓ , O₂ ↓

Czy na pewno?

B. Strefa saturacji. Strefa beztlenowa

1. Warstwa o dużej miąższości (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 stężenia manganu

6MnO₂ + C₆H₁₂O₆ 6Mn ²⁺ + 6CO₂ + 6H₂O 5. Wzrost stężenia żelaza

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

Infiltracja. Skuteczność.

Zależy od:

- składu wody powierzchniowej - sposobu infiltracji

- czasu zatrzymania wody w gruncie - rodzaju gruntu

- charakterystyki eksploatacji

Jakie zanieczyszczenia wody/składniki są usuwane?

- zawiesina - koloidy

- metale ciężkie (20-95%)

- hydrofobowe zanieczyszczenia organiczne - bakterie, pierwotniaki

- ChZT (ok. 50%)

Jakie zanieczyszczenia/składniki wody są ‘dodawane’?

- CO₂ agresywny - Fe ²⁺

- Mn ²⁺

- mineralizacja

- H₂S, NH₃ (sporadycznie)

Woda po infiltracji nie traci cech (organoleptycznych) wody naturalnej

Woda po infiltracji często musi być dodatkowo uzdatniana (ale) zakres uzdatniania jest znacznie mniejszy (i nie

wymaga chemikali) niż 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.ujmująca 5.s.infiltracyjna 6.drenaż

10%

90%

Użytkownicy

Woda rzeczna A

Wody wgłębne/infiltracyjne. Podsumowanie

1. Duża mineralizacja

2. Dużo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardość

4. Zawartość agresywnego CO₂ 5. Brak mikrozanieczyszczeń 6. Brak mikroorganizmów

7. Klarowne (barwa, mętność) Wniosek:

- wymagają specyficznych metod oczyszczania