TECHNOLOGIA WODY - WYKŁAD

Transkrypt

1 TECHNOLOGIA WODY Wody wgłbne - WYKŁAD 4 - PK, WBiI, SZ, SIS-Vsemestr

2 Rys. 4. Rodzaje wód podziemnych [4], 1 - woda powierzchniowa płynca (rzeka, potok, strumie), 2 - woda powierzchniowa stojca (jezioro, staw), 3 - woda zaskórna, 4 - płytka woda gruntowa, 5 - obszar zasilania warstwy wodononej z opadów,6 - woda wgłbna artezyjska, 7 - samobijca woda artezyjska, 8 - woda artezyjska, lecz na nieco wyszym terenie(trzeba j pompowa), 9 - woda infiltracyjna, przesikajca ze zbiornika wody powierzchniowej do gruntu,10 - woda z warstwy szczelinowej (spkana skała), 11 -ródło naturalne zasilane wod zaskórna,12 -ródło naturalne zasilane wod płytk gruntow, 13 -ródło naturalne zasilane w wod artezyjsk samobijca, 14 -ródło naturalnej w., lecz bijce na dnie jeziora

3 2.3. Substancje rozpuszczone formy substancje rozpuszczalno formy rozpuszcz. NaCl + jony AgCl jony C 6 H 12 O czsteczki CH 3 COOH + jony

4 2.3. Substancje rozpuszczone (c.d.) stenia rodzaj jednostka masa / objto kg/m 3 (kg m -3 ), mg/l masa / masa mg/kg, ppm, ppb molarno mol/dm 3 (M) normalno równowanik/dm 3 (N)

5 2.3. Substancje rozpuszczone (c.d.) stenia rodzaj jednostka masa / objto kg/m 3 (kg m -3 ), mg/l masa / masa mg/kg, ppm, ppb molarno mol/dm 3 (M) normalno równowanik/dm 3 (N) ładunek jonów przeliczanie jednostek i ste

6 Woda w przyrodzie H 2 O Woda chemicznie czysta

7 8. Woda w przyrodzie OPADY Ewapotranspiracja Pzrechwytywanie Infiltracja Spływ powierzchniowy H 2 O Strefa areacji Perkolacja Perkolacja Rzeka Strefa saturacji

8

9 8. Woda w przyrodzie cd zawiesiny mikrofauna zw. organiczne wirusy bakterie zapach rolinny elazo, mangan CH 4 ; H 2 S H 2 O twardo metale CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mtno Woda w przyrodzie

10 3. JAKO WODY Przemysł: normy branowe ruchowe Rolnictwo: stenie mikroorganizmów Ludno: Rozporzdzenie Ministra Zdrowia z dnia w sprawie warunków jakim powinna odpowiada woda do picia i na potrzeby gospodarcze (Dziennik Ustaw RP nr 82 z dnia r.); zmiany z grudnia 2002

11 4. WARUNKI ORGANOLEPTYCZNE JAKIM WINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA Wska nik Jednostka Wymagania Barwa mg Pt/dm 3 < 15 Mtno mg SiO 2 /dm 3 < 1 Organizmy niewidoczne Plamy olejowe niewidoczne Zawiesina niewidoczna Zapach akceptowalny

12 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

13 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 µg/l 1 (0,001) Benzo(a)piren µg/l 0,01 (WWA) ΣWWA µg/l 100 Chlorofenole µg/l 10 (ppz)

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

15 6. WARUNKI BAKTERIOLOGICZNE JAKIM POWINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA Wska nik Dopuszczalna Objto liczba bakterii próbki Escherichia coli Enterokoki Clostridium perfiringes Ogólna liczba bakterii (37 C) 20 1

16 7. DOPUSZCZALNE WARTOCI WSKANIKÓW ZANIECZYSZCZE Kraj Barwa mg Pt/l Mtno mg SiO 2 /l Odczyn ph elazo 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 - 5 6,5-8,5 0,5 0,5

17 8. Woda w przyrodzie cd zawiesiny mikrofauna zw. organiczne wirusy bakterie zapach rolinny elazo, mangan CH 4 ; H 2 S H 2 O twardo metale CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mtno Woda w przyrodzie

18 8. cedzenie filtracja (powolna) sedymentacja zawiesiny dezynfekcja napowietrzanie wirusy bakterie zapach rolinny elazo, mangan mikrofauna CH 4 ; H 2 S H 2 O twardo metale zw. organiczne sedymentacja filtracja (szybka) CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mtno koagulacja wizanie chemiczne sorpcja utlenianie

19 Schematy Technologiczne w Oczyszczaniu Wody woda powierzchniowa a) zawiesina b) koloidy c) organiczne zw. refrakcyjne woda wgłbna a) czysta b) zakwaszona c) zaelaziona

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

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

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

23 Wody wgłbne Studnia głbinowa Depresja/Lej Woda gruntowa Warstwa nienasycona / nasycona Warstwa nieprzepuszczalna Migracja w.powierz. Dziesitki lat Woda wgłbna Warstwa wodonona

24 Prawidłowe Wysortowanie? Scementowanie? Warstwa wodonona (nasycenia/saturacji)

25 Strumie Strefa areacji Studnia Strefa saturacji Lustro wody gruntowej w czasie suszy

26 Zlewnia Dopływ podziemny Poziom wody gruntowej Wody Woda wgłbne gruntowa Linie przepływu lata dekady stulecia tysiclecia dni Warstwy o zmniejszonej porowatoci

27 Wody podziemne Czynniki wpływajce na skład wód podziemnych: - rodzaj i budowa skał z którymi si kontaktuj - stopnia ich zwietrzenia i uziarnienia - prdkoci ruch wody podziemnej - stopnia zmieszania z wodami powierzchniowymi i opadowymi Procesy jednostkowe kształtujce skład wód podziemnych - utlenianie i redukcja - rozpuszczanie i strcanie - hydratacja i hydroliza - sorpcja, desorpcja i wymiana jonowa - procesy biochemiczne

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

29 - kolejno jako utleniacze wykorzystywane bd: 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

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

31 Wytrcanie minerałów - iloczyn rozpuszczalnoci CaCO 3 Ca 2+ + CO 3 2- Ir = [Ca 2+ ] x [CO 3 2- ] = [c Ca 2+ ] = [c CO 3 2- ] = 10-5 mol/dm 3 - przykład reakcji Ca 2+ + SO 4 2- = CaSO 4 gips

32 Sorpcja. Desorpcja. Wymiana jonowa. Procesy zalene od: - ph - Eh - siły jonowej - stenia substancji

33 Substancje wystpujce w wodach wgłbnych 1. Rozpuszczone gazy: - główne: O 2, CO 2, CH 4, H 2 S -ladowe NH 3, SO 2, HCl CO 2 -wolny Równowaga wglanowa 2. Aniony: SO 4 2-, Cl -, HCO 3-3. Kationy: Na +, K +, Fe 2+, Mn 2+, Mg 2+

34 CO 2 CO 2 atmosferyczny Jeszcze jedna forma... CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 = H + + HCO 3- = 2H + + CO CaCO 3 Ca(HCO 3 ) 2 To jeszcze nie wszystko... CO 2 przynaleny zwizany Tak wyglda uproszczona `równowaga wglanowa w wodzie

35 CO 2 CO 2 atmosferyczny W wodach wgłbnych.. 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 przynaleny Tak wyglda uproszczona `równowaga wglanowa w wodzie wgłbnej

36 Zaleno od ph: CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 H + + HCO - 3 2H + + CO 2-3 Udział % CO 2 HCO 3 - CO ph

37 Wody podziemne. Podsumowanie 1. Dua mineralizacja 2. Duo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardo 4. Zawarto agresywnego CO 2 5. Brak mikrozanieczyszcze 6. Brak mikroorganizmów 7. Klarowne (minimalna barwa i mtno) Wniosek: - wymagaj specyficznych metod oczyszczania

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

39 Wsikanie wód opadowych w grunt Woda gruntowa Ruch wody wsikanie wody) przez stref areacji ródełko wybija w miejscu gdzie poziom wody gruntowejosiga powierzchni ródełko Rzeczka Linie przepływu STUDNIA Poniej poziomu wody gruntowej, woda migruje wzdłu zakrzywionych linii przepływu, do rejonów o obnionym poziomie w.g.

40 Infiltracja. Schemat urzdze Rzeka Basen Drena S.chłonna Studnia infiltracyjna Naturalna Infiltracja Sztuczna doby k= m/s Prdko filtracji Rónica poziomów Odległo Współczynnik filtracji k= v h l (m/s)

41 Woda powierzchniowa musi spełnia nastpujce warunki: - mtno <20 - barwa <40 - glony <10000/cm 3 - bakterie <5000/cm 3 - subs.pow.czynne <0,5g/m 3? Ze wzgldu na kolmatacj.

42 Infiltracja jako proces oczyszczania wody. Filtracja (przesikanie) wody przez - naturalny filtr - o właciwociach sorpcyjnych - modyfikujcy skład wody w wyniku reakcji chemicznych (strefa areacji, strefa saturacji, osady) Infiltracja - proces oczyszczania wody, w którym warstw wodonon wykorzystuje si jako reaktor o duej objtoci

43 Sedymentacja Samokoagulacja Fotoliza Hydroliza Pr.biochemiczne Filtracja Wymiana jonowa Sorpcja Urednianie Rozpuszczanie Infiltracja. Procesy jednostkowe. Woda Osad S.areacji S.sateracji Basen infiltracyjny Wpływ na skład wody: + duy -redni mały,lub aden

44 Infiltracja. Procesy zachodzce w warstwie wodononej A.Strefa areacji. Warstwa o małej miszoci - 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

45 2. Reakcje biochemiczne ograniczaj si do warstwy powierzchniowej o gruboci ok. 1m Dlaczgo? 3. Sorpcja odgrywa tu mniej istotn rol bowiem mamy do czynienia z innymi składnikami gruntu. Jakimi? 4. W strefie tej zachodz nastpujce zmiany: CO 2, NO 3-, O 2 Czy na pewno?

46 B. Strefa saturacji. Strefa beztlenowa 1. Warstwa o duej miszoci (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 stenia manganu 6MnO 2 + C 6 H 12 O 6 6Mn CO 2 + 6H 2 O 5. Wzrost stenia elaza 2Fe(OH) 3 + 2NO - 2 2Fe(OH) 2 + 2NO 3- + H 2 O

47 Infiltracja. Skuteczno. Zaley od: - składu wody powierzchniowej - sposobu infiltracji - czasu zatrzymania wody w gruncie - rodzaju gruntu - charakterystyki eksploatacji

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

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

50 Wniosek Woda po infiltracji nie traci cech (organoleptycznych) wody naturalnej Woda po infiltracji czsto musi by dodatkowo uzdatniana (ale) zakres uzdatniania jest znacznie mniejszy (i nie wymaga chemikali) ni w przypadku wód powierzchniowych.

51 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.ujmujca 5.s.infiltracyjna 6.drena N C F N F D Z Uytkownicy Woda uzdatniona

52 Wody wgłbne/infiltracyjne. Podsumowanie 1. Dua mineralizacja 2. Duo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardo 4. Zawarto agresywnego CO 2 5. Brak mikrozanieczyszcze 6. Brak mikroorganizmów 7. Klarowne (barwa, mtno) Wniosek: - wymagaj specyficznych metod oczyszczania