Koagulacja, chemiczne strącanie (coagulation, chemical precipitation) Koagulacja vs flokulacja. Strącanie chemiczne

Transkrypt

1 Koagulacja, chemiczne strącanie (coagulation, chemical precipitation) Koagulacja vs flokulacja Koagulacja: proces chemiczny mający za zadanie destabilizację koloidów Flokulacja: proces fizycznochemiczny mający za zadanie aglomerację zdestabilizowanych koloidów Strącanie chemiczne Definicja: wydzielanie z roztworu substancji chemicznej w postaci stałego, bardzo trudno rozpuszczalnego jej związku (tworzącego osad) przez dodanie odpowiedniego odczynnika Roztwór z rozpuszczonymi związkami Reakcja chemiczna Związki trudnorozpuszczalne + czysta woda 1

2 sedymentacja Dlaczego koagulacja i flokulacja jest potrzebna? F P = 6 v R 3 F = g 4/3 R W 3 F G= c g 4/3 R F G- siła ciężkości F - siła wyporu W F - siła oporu ośrodka P Średnica cząstki, mm Typ cząstki 10 żwir 1 m/s Prędkość sedymentacji 1 gruby piasek 0,1 m/s 0,1 drobny piasek 0,47 m/min 0,01 osad 0,54 m/h 0,001 bakterie 0,2 m/d 0,0001 ił 0,48 m/rok 0,00001 koloidy 4,8 m/1000 lat =2,65 kg/dm3 Co to jest proces koagulacji? Koagulacja to proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze. Substancje usuwane w procesie koagulacji: Koloidy organiczne (żywe i martwe mikroorganizmy, kwasy humusowe i fulwowe) Koloidy nieorganiczne (bezwodne tlenki metali), Wybrane substancje rozpuszczone, Koloidy pochodzenia antropogenicznego (skrobia, białka, celuloza, barwniki organiczne). 2

3 Koagulanty (Coagulant agents) Al 2 (SO 4 ) 3 (Alum) MgCl 2 Magnesium chloride Polyacrylamide Chitozan Chitosan Moringa olejodajna Moringa oleifera Stosowane koagulanty Nazwa siarczan glinu siarczan glinowo-potasowy siarczan żelaza(iii) siarczan żelaz(ii) Al 2 (SO 4 ) 3 18H 2 O Al 2 (SO 4 ) 3 K 2 SO 4 24H 2 O Fe 2 (SO 4 ) 3 9H 2 O FeSO 4 7H 2 O glinian sodu Na 2 Al 2 O 4 chlorek żelaza FeCl 3 6H 2 O wapno Ca(OH) 2 dolomit CaMg(CO 3 ) 2 lub xcaco 3 ymgco 3 Wapno Wapno CaO lub Ca(OH) 2 Tlenek wapnia CaO (wapno palone) jest otrzymywany przez prażenie (tzw. kalcynowanie) kamienia wapiennego w temperaturze C w piecach zwanych wapiennikami. CaCO 3 CaO + CO 2 Wodorotlenek wapnia Ca(OH) 2 (wapno gaszone) otrzymuje się na skalę przemysłową w reakcji gaszenia wapna palonego, czyli reakcji tlenku wapnia z wodą: CaO + H 2 O Ca(OH) 2 3

4 Wapno Woda wapienna nasycony roztwór wodorotlenku wapnia Rozpuszczalność Ca(OH) 2 w wodzie w temp. 25 C wynosi ok. 0,159 g na 100 g H 2 O Woda wapienna jest stosowana przy zużyciu wapna < 250 kg CaO/d. Mleko wapienne 5% zawiesina (suspensja) wodorotlenku wapnia w wodzie Woda wapienna posiada jednak podstawowe dwie zalety tj. nieodkładanie się wapna w instalacji dawkującej i transportującej, ponadto istnieje możliwość dokładnego dawkowania tego roztworu poprzez regulację ilości wody podawanej do sytnika. Chemizm reakcji z wapnem Koagulacyjne i adsorpcyjne właściwości Mg(OH) 2 wytrąconego w postaci galaretowatego osadu. Mg(OH) 2 powstaje z wytrącenia soli obecnych w ściekach lub w wyniku dawkowania do ścieków MgCl 2 lub MgCO 3. Dwa rodzaje koagulacji: 1. Koagulacja małymi dawkami wapna (LLP, ph= 9,5 do 10,5) 2. Koagulacja dużymi dawkami wapna (HLP, ph=10,5 do 11,5) low lime process high lime process (excess lime process) Chemizm reakcji z wapnem (cd) CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 + 2H 2 O MgCO 3 + Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 + CaCO 3 LLP HLP Reakcja ta w procesie LLP nie przebiega całkowicie, gdyż przy ph<10 Mg(OH) 2 ulega dysocjacji gdy Mg wchodzi w skład twardości niewęglanowej: Mg 2+ + Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 + Ca 2+ 4

5 Chemizm reakcji z wapnem (cd) Optymalne ph dla wytrącenia Mg(OH) 2 zależy od: Stężenia jonów Mg 2+ Temperatury, Zasolenia ścieków Rozpuszczalność Mg(OH) 2 maleje: Ze wzrostem ph Ze wzrostem temperatury Koagulacja/chemiczne strącanie przy użyciu dolomitu Dolomit CaMg(CO 3 ) 2 w wyniku termicznej dekarbonizacji i hydratacji tworzy mieszaninę zawierającą 60% Ca(OH) 2 i 30% Mg(OH) 2. W postaci suspensji dawkowany jest do ścieków Optymalne ph = 10,5. Uzyskuje się porównywalny efekt koagulacji ścieków i strącania fosforanów jak przy koagulacji wapnem w warunkach HLP (przy ph jak dla LLP). Zachodzą reakcje wytrącania CaCO 3 (wytracanie Mg(OH) 2 jest nieznaczne) Zalety: mniejsze dawki CO 2 wymagane do rekarbonizacji Wady: zbyt niskie ph aby stosować desorpcję amoniaku Koagulacja i chemiczne strącanie wapnem Wapno najbardziej uniwersalny koagulant/czynnik strącający: -Zmiękczanie (strącanie Ca i Mg), -Usuwanie koloidów i trudno opadających zawiesin (koagulacja), -Fosforanów (koagulacja i strącanie), -Amoniaku (desorpcja), -Metali ciężkich (strącanie), -Krzemionka (strącanie, adsorpcja) -Związków organicznych (adsorpcja), -Bakterii i wirusów (dezaktywacja) 5

6 Usuwanie fosforanów Wytracanie ortofosforanów (H 3 PO 4, H 2 PO 4-, HPO 4 2-, PO 4 3-, FeHPO 4- ) 3PO Ca(OH) 2 Ca 5 OH(PO 4 ) 3 + 9OH - 2PO Ca(OH) 2 Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6OH - hydroksyapatyt (krystaliczny) fosforan trójwapniowy (amorficzny) ewentualnie 3PO Ca(OH) 2 + H 2 O Ca 4 H(PO 4 ) 3 + 9OH - fosforan czterowapniowy Usuwanie fosforanów (cd) Usuwanie polifosforanów Polifosforany (M' n+2 P n O 3n+1, gdzie M' = atom metalu) - polimery zbudowane z merów fosforanowych. Stanowią 10-30% fosforu ogólnego. Podstawowy mechanizm to adsorpcja na cząsteczkach Ca 3 (PO 4 ) 2 oraz CaCO 3 Usuwanie fosforanów wystepujących w postaci koloidalnej Koagulacja dużymi dawkami wapna (HLP) Usunięcie znaczące przy ph 9,5-10 Najwyższe skuteczność przy ph 11-11,5 (koagulacyjne i adsorpcyjne właściwości Mg(OH) 2 ) Usuwanie związków organicznych Mechanizm: adsorpcja na cząstkach Mg(OH) 2 i CaCO 3 Koagulacja HLP pozwala na zmniejszenie stężenia OWO o ok. 50% 6

7 Usuwanie metali ciężkich Stężenie w ściekach zazwyczaj <0,5 g/m 3 Me n+ + Ca(OH) 2 Me(OH) n + Ca 2+ Rozpuszczalność wodorotlenków metali Usuwanie metali ciężkich (cd) Podatność metali na usuwanie maleje wg szeregu: Mn, Fe, Cu, Zn, Cd, Ni, Pb Efektywność usuwania % Inhibitujące działanie połączeń metaloorganicznych Usuwanie krzemionki Ca(OH) 2 + SiO 2 CaSiO 3 + H 2 O W zależności od proporcji pomiędzy SiO 2 i Ca(OH) 2 produktami reakcji mogą być: 3CaO SiO 2, Ca 3 SiO 5 ; 2CaO SiO 2, Ca 2 SiO 4 ; 3CaO 2SiO 2, Ca 3 Si 2 O 7, CaO SiO 2, CaSiO 3. Dodatkowo SiO 2 usuwane jest w wyniku adsorpcji na CaCO 3 i Mg(OH) 2 Przy ph wytrąceniu ulegają też: CaH 2 SiO 4, MgH 2 SiO 4 7

8 Dezaktywacja wirusów i bakterii Mechanizm: neutralizacja powierzchniowego ładunku mikroorganizmu przez Mg(OH) 2 co umożliwia ich adsorpcje na cząsteczkach Mg(OH) 2 i CaCO 3 denaturacja białka mikroorganizmów, co powoduje zniszczenie ich struktury lub umożliwia aglomerację Najwyższa skuteczność dezaktywacji bakterii i wirusów w warunkach HLP (ph>11) Wady i zalety stosowania wapna Wady : bardzo duża ilość powstających osadów pod względem objętościowym co podraża koszty unieszkodliwiania osadów ściekowych, konieczność stosowania po procesie koagulacji wapnem procesu rekarbonizacji lub neutralizacji odczynu Zalety: tani reagent, nie zwiększa zasolenia ścieków, zastosowanie wapna pozwala na usunięcie z wody koloidów i drobnej zawiesiny oraz rozpuszczonych substancji organicznych, dzięki wysokiemu ph częściowo likwiduje się wirusy i bakterie, możliwość odzysku wapna przez wypalenie wydzielonego osadu, możliwość użycia osadu do rekultywacji gleb kwaśnych Sedymentacja, flotacja, filtracja (sedimentation, flotation, filtration) 8

9 Sedymentacja Cząstek ziarnistych swobodne opadanie poszczególnych cząstek, brak ich wzajemnego oddziaływania, stała prędkość opadania; skuteczność sedymentacji zależy od obciążenia hydraulicznego osadników, nie zależy od głębokości Cząstek kłaczkowatych występują w ściekach surowych, przemysłowych o stężeniu zawiesin ok. 500 g/m 3, w ściekach po koagulacji i chemicznym strącaniu; prędkość opadania rośnie z głębokością osadnika; skuteczność sedymentacji zależy od obciążenia hydraulicznego osadników i czasu sedymentacji Strefowa zachodzi w cieczach o zawartości zawiesin kłaczkowatych > 1000 g/m 3 lub gdy zawiesina niekłaczkująca występuje w znacznych ilościach; oprócz sedymentacji zawiesin zachodzi też ich zagęszczanie Sedymentacja W układach odnowy wody sedymentacja zachodzi : po koagulacji, po chemicznym strącaniu po I stopniu rekarbonizacji w układach rekarbonizacji dwustopniowej, podczas grawitacyjnego zagęszczania osadów. Flotacja 9

10 Flotacja Czynnikiem wspomagającym flotację są pęcherzyki gazu. Flotacja: biologiczna wykorzystuje cząstki gazów powstałych z osadów w wyniku ich zagniwania chemiczna wytworzenie gazu (CO 2 ) dzięki wprowadzeniu do ścieków chemikaliów (kwasu) powietrzna wprowadzenie powietrza mechaniczna rozdrobnionym powietrzem ciśnieniowa rozpuszczonym powietrzem (DAF) Filtracja Stosuje się do usuwania zawiesin po II stopniu oczyszczania ścieków lub po procesie koagulacji/strącania chemicznego. Filtracja: Mikrosita ( zawiesin 73-89%, BZT %, mętność 60-76%) Filtry okrzemkowe (namywane) filtry podciśnieniowe, np. z ziemi okrzemkowej, zatrzymują cząstki > 0,5 µm Filtry jednowarstwowe Filtry wielowarstwowe Filtry kontaktowe ( złoże wielowarstwowe, dawka koag g/m 3, zaw. zawiesin g/m 3, v < 12,5 m/h) 10

11 Antracyt Piasek Granat Żwir For the majority of municipal and industrial water supply applications, a filter bed composed of 55% low density material, 30% medium density material and 15% high density, such as Garnet is recommended. 11