Technologia Wody. Wody podziemne Infiltracja. Wykład 7(1) Politechnika Koszalińska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Studia Zaoczne, 3 rok

Transkrypt

1 Technologia Wody Wykład 7(1) Wody podziemne Infiltracja Politechnika Koszalińska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Studia Zaoczne, 3 rok

2 Woda w przyrodzie zawiesiny mikrofauna zw. organiczne wirusy bakterie zapach roślinny żelazo, mangan CH 4 ; H 2 S H 2 O twardość metale CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mętność Woda w przyrodzie

3 filtracja (powolna) cedzenie sedymentacja dezynfekcja napowietrzanie wirusy bakterie zapach roślinny żelazo, mangan mikrofauna CH 4 ; H 2 S zawiesiny H 2 O twardość metale zw. organiczne sedymentacja filtracja (szybka) CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mętność koagulacja wiązanie chemiczne sorpcja utlenianie

4 3. JAKOŚĆ WODY Przemysł: normy branżowe ruchowe Rolnictwo: stężenie mikroorganizmów Ludność: Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia w sprawie warunków jakim powinna odpowiadać woda do picia i na potrzeby gospodarcze (Dziennik Ustaw RP nr 82 z dnia r.); zmiany z grudnia 2002

5 WARUNKI ORGANOLEPTYCZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA Wskaźnik Jednostka Wymagania Barwa mg Pt/dm 3 < 15 Mętność mg SiO 2 /dm 3 < 1 Organizmy niewidoczne Plamy olejowe Zawiesina Zapach niewidoczne niewidoczna akceptowalny

6 WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA Wskaźnik Jednostka NDS Amoniak Azotany Azotyny Chlor Chlorki Fluorki Siarczany mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 0,5 50 0,1 0, ,5 250

7 WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.) Wskaźnik Jednostka NDS Cynk Kadm Mangan Ołów Żelazo mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 3 0,003 0,05 0,01 0,2 Benzen µg/l 1 (0,001) Benzo(a)piren µg/l 0,01 (WWA) Σ WWA µg/l 100 Chlorofenole µg/l 10 (ppz)

8 WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.) Wskaźnik Jednostka NDS Chloroform Σ THM PCB Σ pestycydów ChZT (KMnO 4 ) µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l 30 (THM 100 0,5 0,5 5000

9 WARUNKI BAKTERIOLOGICZNE JAKIM POWINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA Wskaźnik Escherichia coli Enterokoki Clostridium perfiringes Ogólna liczba bakterii (37 C) Dopuszczalna liczba bakterii Objętość próbki

10 DOPUSZCZALNE WARTOSCI WSKAŹNIKÓW ZANIECZYSZCZEŃ Kraj Barwa mg Pt/l Mętność mg SiO 2 /l Odczyn ph Żelazo mg/l Detergenty mg/l Polska ,5-8,5 0,2 0,2 WHO ,5-8,5 0,3 - UE ,5-8,5 0,3 0,2 USA ,5-8,5 0,5 0,5 Rosja - 1 6,5-8,5 0,5 0,5

11 Schematy Technologiczne w Oczyszczaniu Wody woda powierzchniowa a) zawiesina b) koloidy c) organiczne zw. refrakcyjne woda wgłębna a) czysta b) zakwaszona c) zażelaziona

12 Układy technologiczne usuwanie zawiesin Wz F D Wu Wz S F D Wu Wu - woda uzdatniona Wz - woda zasilająca F - filtracja D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie

13 Układy technologiczne (c.d.) usuwanie barwy i mętności Wz K S F D Wu Wz U K S F D Wu usuwanie zawiesin, barwy i mętności Wu - woda uzdatniana Wz - woda zasilająca F - filtracja D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie

14 Układy technologiczne (c.d.) Wz K S F A D U U Wu Opcja: utlenianie A- adsorpcja D- dezynfekcja

15 Wody wgłębne Studnia głębinowa Depresja/Lej Woda gruntowa Warstwa nienasycona / nasycona Warstwa nieprzepuszczalna Migracja w.powierz. Dziesiątki lat Woda wgłębna Warstwa wodonośna

16 Prawidłowe Wysortowanie? Scementowanie? Warstwa wodonośna (nasycenia/saturacji)

17 Strumień Strefa areacji Studnia Strefa saturacji Lustro wody gruntowej w czasie suszy

18 Zlewnia Dopływ podziemny Poziom wody gruntowej Wody wgłębne Linie przepływu lata dekady stulecia tysiąclecia dni Warstwy o zwiększonej porowatości

19 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

20 Utlenianie i redukcja Dotyczy: C, S, Fe, Mn, N (przede wszystkim) -przykład reakcji w obecności tlenu FeS + H 2 O + O 2 = Fe(OH) 3 + H 2 SO 4 CH2O+O2=CO2+H2O -wzrost mineralizacji -wzrost twardości 2H+ + SO 2-4 -wzbogacenie w SO 2-4 CaCO 3 -zakwaszenie Ca(HCO 3 ) Ca 2+ -gdy zabraknie tlenu SO CH 2 O + H 2 O = H 2 S + 2 HCO 3 - NO CH 2 O + H 2 O = N HCO 3 -wzrost twardości -odór

21 - kolejno jako utleniacze wykorzystywane będą: MnO 2 + CH 2 O = Mn 2+ + CO OH - Fe 2 O 3 + CH 2 O = Fe 2+ + CO 2 + OH - NO CH 2 O = N 2 + CO 2 SO CH 2 O = H 2 S + CO 2 -wzrost Fe 2+, Mn 2+ -wzrost CO 2 -siarkowodór

22 Ługowanie skał (rozpuszczanie) - wywiera bardzo istotny wpływ na skład wód podziemnych NaCl = Na + + Cl - CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3 ) 2- Wzrost mineralizacji Wzrost twardości CaO 2Al 2 O 3 4SiO 2 + CO 2 + H 2 O = Ca HCO H 4 Al 2 SiO 4

23 Wytrącanie minerałów - iloczyn rozpuszczalności CaCO 3 Ca 2+ + CO 3 2- Ir = [Ca 2+ ] x [CO 3 2- ] = 10-8 [c Ca 2+ ] = [c CO 3 2- ] = 10-4 mol/dm 3 - przykład reakcji Ca 2+ + SO 4 2- = CaSO 4 gips

24 Sorpcja. Desorpcja. Wymiana jonowa. Procesy zależne od: - ph - Eh - siły jonowej - stężenia substancji

25 Substancje występujące w wodach wgłębnych 1. Rozpuszczone gazy: - główne: O 2, CO 2, CH 4, H 2 S - śladowe NH 3, SO 2, HCl CO 2 -wolny Równowaga węglanowa 2. Aniony: SO 4 2-, Cl -, HCO 3-3. Kationy: Na +, K +, Fe 2+, Mn 2+, Mg 2+

26 Dwutlenek węgla. CO 2 Rozpuszczalność CO 2 w wodach podziemnych cco 2 mg/l 20 0 C 20 C cco 2 = H x pco 2 pco 2 = kpa cco 2 = 1.03 mg/l agresywny półzwiązany związany pco 2 kpa CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 H + HCO 3 - H + CO 3 2-

27 Zależność od ph: CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 H HCO 3 2H CO 3 Udział % CO 2 HCO 3 - CO ph

28 CO 2 CO 2 atmosferyczny Jeszcze jedna forma... CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 = H + + HCO 3 - = 2H + + CO Ca 2+ Ca(HCO 3 ) 2 To jeszcze nie wszystko... CO 2 przynależny Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa w wodzie

29 CO 2 CO 2 atmosferyczny W wodach wgłębnych.. CO2 agresywny CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 = H + + HCO 3 - = 2H + + CO 3 2- C6H12O6+O2=CO2+H2O H++HCO3-=CO2+H2O CO2+CaCO3+H2O=Ca(HCO3)2 + Ca 2+ Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + Ca 2+ CO 2 przynależny Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa w wodzie wgłębnej

30 Wody podziemne. Podsumowanie 1. Duża mineralizacja 2. Dużo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardość 4. Zawartość agresywnego CO 2 5. Brak mikrozanieczyszczeń 6. Brak mikroorganizmów 7. Klarowne (barwa, mętność) Wniosek: - wymagają specyficznych metod oczyszczania

31 Infiltracja. Definicja 1. Oczyszczanie wody powierzchniowej w gruncie. Grunt traktowany tu jest jako bioreaktor 2. Metoda zwiększania zasobów wód podziemnych, lub oczyszczania wód powierzchniowych

32 Infiltracja. Rozpowszechnienie % ujmowanej wody w różnych krajach 17% w Polsce Ujęcia wód powierzchniowych dla celów komunalnych: - Warszawa, Wrocław, Płock, Poznań, Koszalin...

33 Wsiąkanie wód opadowych w grunt Woda gruntowa Ruch wody wsiąkanie wody) przez strefę areacji Źródełko wybija w miejscu gdzie poziom wody gruntowejosiąga powierzchnię Źródełko Rzeczka Linie przepływu STUDNIA Poniżej poziomu wody gruntowej, woda migruje wzdłuż zakrzywionych linii przepływu, do rejonów o obniżonym poziomie w.g.

34 Infiltracja. Schemat urządzeń Rzeka Basen Drenaż S.chłonna Studnia infiltracyjna Naturalna Infiltracja Sztuczna doby k= m/s Prędkość filtracji Różnica poziomów Odległość Współczynnik filtracji k= v h l (m/s)

35 Woda powierzchniowa musi spełniać następujące warunki: - mętność <20 - barwa <40 - glony <10000/cm 3 - bakterie <5000/cm 3 - subs.pow.czynne <0,5g/m 3? Ze względu na kolmatację.

36 Kolmatacja v (m/s) 1,0 k- rośnie (?) maleje (?) 0,2 2 4 t(lata)

37 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

38 Infiltracja. Procesy jednostkowe. Woda Osad S.areacji S.sateracji Sedymentacja Samokoagulacja Fotoliza Hydroliza Pr.biochemiczne Filtracja Wymiana jonowa Sorpcja Uśrednianie Rozpuszczanie Basen infiltracyjny Wpływ na skład wody: + duży - średni mały,lub żaden

39 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

40 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)

41 Infiltracja. Procesy zachodzące w warstwie wodonośnej A.Strefa areacji. Warstwa o małej miąższości - ok. 2m 1.Reakcje chemiczne: 2Fe 2 S O 2 4FeSO 4 + H 2 SO 4 C 6 H 12 O 6 +3O 2 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 2NO 3-6CO 2 + 6H N 2 10Fe NO H 2 O N Fe(OH) H + H 2 SO 4 + 2HCO 3 - SO CO 2 + H 2 O

42 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: CO 2, NO 3 -, O 2 Czy na pewno?

43 B. Strefa saturacji. Strefa beztlenowa 1. Warstwa o dużej miąższości (kilkaset metrów) 2. Zachodzi redukcja azotanów 10Fe NO H 2 O N Fe(OH) H + C 6 H 12 O 6 + 2NO 3-6CO 2 + 6H N 2 3. Zakwaszenie- dalsze 10Fe NO H 2 O N Fe(OH) H + 4.Wzrost stężenia manganu 6MnO 2 + C 6 H 12 O 6 6Mn CO 2 + 6H 2 O 5. Wzrost stężenia żelaza - - 2Fe(OH) 3 + 2NO 2 2Fe(OH) 2 + 2NO 3 + H 2 O

44 Infiltracja. Skuteczność. Zależy od: - składu wody powierzchniowej - sposobu infiltracji - czasu zatrzymania wody w gruncie - rodzaju gruntu - charakterystyki eksploatacji

45 Jakie zanieczyszczenia wody/składniki są usuwane? - zawiesina - koloidy - metale ciężkie (20-95%) - hydrofobowe zanieczyszczenia organiczne - bakterie, pierwotniaki - ChZT (ok. 50%)

46 Jakie zanieczyszczenia/składniki wody są dodawane? - CO 2 agresywny - Fe 2+ - Mn 2+ - mineralizacja - H 2 S, NH 3 (sporadycznie)

47 Wniosek 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.

48 Instalacja do uzdatniania/infiltracji wody w Wiesbaden/RFN Woda rzeczna K S F A 1 10% 90% 2 3 6? 4 5? 1.piaskownik 2.osadnik 3.b.infiltracyjny 4.s.ujmująca 5.s.infiltracyjna 6.drenaż N C F N F D Z Użytkownicy Woda uzdatniona

49 Wody wgłębne/infiltracyjne. Podsumowanie 1. Duża mineralizacja 2. Dużo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardość 4. Zawartość agresywnego CO 2 5. Brak mikrozanieczyszczeń 6. Brak mikroorganizmów 7. Klarowne (barwa, mętność) Wniosek: - wymagają specyficznych metod oczyszczania