View
1
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Technologia Wody Wykład 7(1)
Politechnika KoszalińskaWydział Budownictwa i Inżynierii ŚrodowiskaStudia Zaoczne, 3 rok
Wody podziemneInfiltracja
H2O
zw. organiczne
CO2 agresywny
zawiesiny
zapach nadmierny
ChZT
pestycydy
barwa i mętność
mikrofauna
wirusy
bakterie
zapach roślinny
żelazo, mangan
twardośćmetale
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
twardośćmetale
CH4; H2S
filtracja (powolna)
sedymentacjacedzenie
dezynfekcja wiązanie chemiczne
sorpcja
utlenianie
koagulacjanapowietrzanie
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 olejoweZawiesinaZapach
Barwa mg Pt/dm3 < 15Mętność mg SiO2/dm3 < 1Organizmy niewidoczne
niewidoczneniewidocznaakceptowalny
WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA
Wskaźnik Jednostka NDSAmoniakAzotanyAzotynyChlorChlorkiFluorkiSiarczany
0,5500,10,3
2501,5
250mg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/l
WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)
Wskaźnik Jednostka NDSCynkKadmManganOłówŻelazoBenzenBenzo(a)piren
30,0030,050,010,2
1 (0,001)0,01 (WWA)µg/l
µg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/l
Σ WWAChlorofenole
µg/lµg/l
10010 (ppz)
WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)
Wskaźnik Jednostka NDSChloroformΣ THMPCBΣ pestycydówChZT (KMnO4)
30 (THM100
0,50,5
5000µg/lµg/lµg/lµg/lµg/l
WARUNKI BAKTERIOLOGICZNE JAKIM POWINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA
Wskaźnik Dopuszczalnaliczba bakterii
Objętośćpróbki
Escherichia coliEnterokokiClostridium perfiringesOgólna liczba bakterii (37°C)
100100
100120
000
6,5 - 8,56,5 - 8,5
6,5 - 8,56,5 - 8,5
Detergentymg/l
Żelazomg/l
OdczynpH
Mętnośćmg SiO2/l
Barwamg Pt/l
DOPUSZCZALNE WARTOSCI WSKAŹNIKÓW ZANIECZYSZCZEŃ
Kraj
PolskaWHOUEUSARosja
15152015-
1
2
1
5
56,5 - 8,5
0,20,30,30,50,5
0,2-
0,20,50,5
Schematy Technologiczne w Oczyszczaniu Wody
— woda powierzchniowa
a) zawiesinab) koloidyc) organiczne zw. refrakcyjne
— woda wgłębna
a) ‘czysta’b) zakwaszonac) zażelaziona
Układy technologiczne
— usuwanie zawiesin
F D WuWz
WuWz F
S
D
Wu - woda uzdatnionaWz - woda zasilającaF - filtracjaD- dezynfekcjaS - sedymentacjaK - koagulacjaU - utlenianie
Układy technologiczne (c.d.)
— usuwanie barwy i mętności
WuWz D
Wu - woda uzdatnianaWz - woda zasilającaF - filtracjaD- dezynfekcjaS - sedymentacjaK - koagulacjaU - 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
Migracjaw.powierz.
Woda gruntowaStudnia głębinowa
Warstwanienasycona / nasyconaDepresja/Lej
Dzi
esią
tki l
at
Woda wgłębna
Prawidłowe Wysortowanie? Scementowanie?
Warstwa wodonośna (nasycenia/saturacji)
Strefaareacji
Strefa saturacjiLustro wodygruntowej w czasie suszy
Studnia
Strumień
Warstwy o zwiększonej porowatości
dnilata
dekady
stulecia
tysiącleciaLinie przepływu
Dopływ
podziemnyZlewnia
Poziom wody gruntowej
Wod
y w
głęb
ne
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 redukcjaDotyczy: C, S, Fe, Mn, N (przede wszystkim)
FeS + H2O + O2 = Fe(OH)3 + H2SO4
2H+ + SO4 2- -wzbogacenie w SO4 2-
-zakwaszenieCaCO3
Ca(HCO3)2+ + Ca 2+-wzrost mineralizacji-wzrost twardości
-gdy zabraknie tlenu
SO4 2- + CH2O + H2O = H2S + 2 HCO3-
NO3- + CH2O + H2O = N2 + 2 HCO3
-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 reakcjiCa 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-wolnyRównowaga węglanowa
2. Aniony: SO4 2-, Cl - , HCO3 -
3. Kationy: Na+ , K + , Fe 2+ , Mn 2+ , Mg 2+
Dwutlenek węgla. CO2
Rozpuszczalność CO2 w wodach podziemnych
cCO2
mg/lcCO2 = HH x pCO2
pCO2 = 0.0004 kPa
cCO2 = 1.03 mg/l
10
20
pCO2
kPa500 1000
0°C 20°C
CO2 + H2O = H2CO3
H + CO32-
H + HCO3-
‘agresywny’‘półzwiązany’‘związany’
pH 4 6 8 10
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 ‘przynależnyTo 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 wodziewgłębnej
C6H12O6+O2=CO2+H2OH++HCO3-=CO2+H2OCO2+CaCO3+H2O=Ca(HCO3)2
CO2 ‘agresywny’
+ Ca 2+
CaCO3
Wody podziemne. Podsumowanie
1. Duża mineralizacja2. Dużo rozpuszczonych gazów3. Znaczna twardość4. Zawartość agresywnego CO2
5. Brak mikrozanieczyszczeń6. Brak mikroorganizmów7. 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 Studnia infiltracyjnaBasen
S.chłonna
Drenaż
Naturalna Infiltracja Sztuczna doby
Współczynnik filtracji k=v h l
(m/s)
k=2 10-4m/sPrędkość filtracji Różnica poziomówOdległość
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
Sedy
men
tacj
aSa
mok
oagu
lacj
aFo
toliz
aH
ydro
liza
Pr.b
ioch
emic
zne
Filtr
acja
Wym
iana
jono
wa
Sorp
cja
Uśr
edni
anie
Roz
pusz
czan
ie
+ + + + + + + + + ++ + +
- + + -- + + - - + -- - +
Wpływ na skład wody:+ duży- średni mały,lub żaden
Baseninfiltracyjny
Infiltracja. Efekty
Warstwa osadówZawartość zanieczyszczeń w gruncie
Wskaźnik Jednostka Piasek Osadzanieczyszczenia Corganiczny mg/g 9,0 35Pb µg/g 17,0 50Cd 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 + 6H2O5. 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
12 3
4 5?
K S F
6?
N C F N F D Z
Woda uzdatniona
1.piaskownik2.osadnik3.b.infiltracyjny4.s.ujmująca5.s.infiltracyjna6.drenaż
10% 90%
Użytkownicy
Woda rzeczna A
Wody wgłębne/infiltracyjne. Podsumowanie
1. Duża mineralizacja2. Dużo rozpuszczonych gazów3. Znaczna twardość4. Zawartość agresywnego CO2
5. Brak mikrozanieczyszczeń6. Brak mikroorganizmów7. Klarowne (barwa, mętność)
Wniosek:- wymagają specyficznych metod oczyszczania
Recommended