Księgarnia PWN: Apolinary L. Kowal, Maria Świderska-Bróż - Oczyszczanie wody Przedmowa................................................ XIII 1. Woda w przyrodzie......................................... 1 1.1. Wprowadzenie......................................... 1 1.2. Fizyczne właściwości wody.................................. 3 1.3. Ogólna charakterystyka roztworów wodnych......................... 4 1.3.1. Roztwory właściwe................................... 4 1.3.2. Roztwory koloidalne.................................. 1.4. Skład wód występujących w przyrodzie............................ 11 Literatura............................................... 13 2. Skład wód podziemych...................................... 1 2.1. Procesy jednostkowe kształtujące skład wód podziemnych.................. 1 2.2. Substancje występujące w wodach podziemnych....................... 20 2.2.1. Gazy........................................... 20 2.2.1.1. Tlen rozpuszczony............................... 20 2.2.1.2. Dwutlenek węgla................................ 20 2.2.1.3. Siarkowodór.................................. 24 2.2.1.4. Azot (N 2 ).................................... 2 2.2.1.. Inne gazy.................................... 2 2.2.2. Substancje rozpuszczone................................ 2 2.2.2.1. Wodorowęglany i węglany (HCO 3 ico 2 3 )................. 2 2.2.2.2. Siarczany (SO 2 4 )................................ 26 2.2.2.3. Chlorki (Cl ).................................. 27 2.2.2.4. Wapń...................................... 28 2.2.2.. Magnez..................................... 29 2.2.2.6. Sód....................................... 29 2.2.2.7. Potas...................................... 30 2.2.2.8. Żelazo..................................... 30 2.2.2.9. Mangan..................................... 34 2.2.2.10. Związki azotu................................. 36 2.2.2.11. Inne zanieczyszczenia nieorganiczne.................... 40 2.2.3. Zanieczyszczenia organiczne.............................. 42 2.2.4. Mikroorganizmy..................................... 44 Literatura............................................... 4
VI 3. Skład wód powierzchniowych.................................. 47 3.1. Czynniki kształtujące skład wody............................... 47 3.2. Cechy fizyczne wody...................................... 0 3.3. Skład chemiczny........................................ 4 3.3.1. Substancje rozpuszczone................................ 3.3.2. Gazy rozpuszczone................................... 66 3.3.3. Substancje organiczne.................................. 68 3.4. Biocenoza wód powierzchniowych.............................. 77 3.. Skład wód infiltracyjnych................................... 81 Literatura............................................... 82 4. Oczyszczanie wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi................. 8 4.1. Wprowadzenie......................................... 8 4.2. Wymagania stawiane wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi............ 87 4.3. Wybór sposobu oczyszczania wody.............................. 92 4.4. Procesy oczyszczania wody.................................. 94 4.. Układy technologiczne oczyszczania wód........................... 103 4..1. Wody powierzchniowe................................. 103 4..2. Wody podziemne.................................... 10 4..3. Woda infiltracyjna.................................... 107 4.6. Monitorowanie i sterowanie jakością wody oraz pracą zakładu oczyszczania wody.... 108 Literatura............................................... 110. Koagulacja............................................. 111.1. Wprowadzenie......................................... 112.2. Zastosowanie koagulacji w oczyszczaniu wód........................ 113.3. Mechanizm procesu koagulacji................................ 116.3.1. Mechanizmy fazy destabilizacji koloidów....................... 117.3.2. Flokulacja........................................ 118.4. Reakcje chemiczne zachodzące w wodzie podczas koagulacji................ 120.. Stosowane koagulanty, ich właściwości i skuteczność w usuwaniu zanieczyszczeń.... 12..1. Koagulanty niezhydrolizowane............................. 12..2. Koagulanty wstępnie zhydrolizowane......................... 128.6. Substancje wspomagające koagulację............................. 133.7. Sposoby prowadzenia koagulacji................................ 141.8. Wpływ składu fizyczno-chemicznego oczyszczanej wody oraz parametrów technologicznych na przebieg i skuteczność koagulacji............................. 14.8.1. Rodzaj usuwanych zanieczyszczeń........................... 14.8.2. Temperatura oczyszczanej wody............................ 148.8.3. Skład jonowy i zasolenie wody............................. 1 0.8.4. ph oczyszczanej wody................................. 1 1.8.. Dawka koagulantu.................................... 1 6.9. Magazynowanie koagulantów i innych reagentów...................... 160.10. Przygotowanie roztworów reagentów do ich dawkowania................. 164.10.1. Koagulanty....................................... 164.10.2. Mleko i woda wapienna................................ 16.10.3. Syntetyczne flokulanty organiczne.......................... 169.10.4. Krzemionka aktywowana............................... 169.10.. Pylisty węgiel aktywny................................ 171.11. Dawkowanie reagentów do wody.............................. 172.12. Komory mieszania reagentów z oczyszczaną wodą..................... 174
.12.1. Komory szybkiego mieszania............................. 17.12.2. Komory wolnego mieszania.............................. 178 Literatura............................................... 183 6. Sedymentacja............................................ 187 6.1. Opadanie cząstek w wodzie.................................. 188 6.1.1. Swobodne opadanie cząstek.............................. 189 6.1.2. Zakłócone opadanie cząstek.............................. 19 6.1.3. Opadanie zawiesin kłaczkowatych........................... 197 6.2. Osadniki............................................. 198 6.2.1. Osadniki o przepływie poziomym........................... 199 6.2.2. Osadniki o przepływie pionowym........................... 208 6.2.3. Osadniki o przepływie poziomo-pionowym...................... 211 6.2.4. Osadniki odśrodkowe.................................. 212 6.2.. Osadniki wielostrumieniowe (lamelowe)........................ 213 6.2.6. Osadniki kontaktowe z osadem zawieszonym..................... 21 Literatura............................................... 227 7. Flotacja............................................... 229 7.1. Uwagi wstępne......................................... 229 7.2. Rodzaje flotacji i jej przebieg................................. 230 7.3. Zastosowanie flotacji w oczyszczaniu wody......................... 237 Literatura............................................... 241 8. Filtracja............................................... 242 8.1. Historia zastosowania filtracji i rodzaje filtrów........................ 243 8.2. Mechanizm filtracji....................................... 244 8.3. Materiał filtracyjny....................................... 249 8.4. Filtry powolne......................................... 2 2 8.. Filtry pospieszne........................................ 2 6 8..1. Filtry pospieszne grawitacyjne............................. 260 8..2. Filtry pospieszne ciśnieniowe.............................. 264 8..3. Specjalne rozwiązania filtrów.............................. 266 8..3.1. Filtry Haberera................................. 266 8..3.2. Filtry bezzaworowe.............................. 267 8..3.3. Filtry suche................................... 268 8..3.4. Filtry kontaktowe............................... 268 8..3.. Filtry dwustrumieniowe............................ 271 8..3.6. Filtry DynaSand................................ 273 8..3.7. Filtry namywane................................ 274 8.6. Filtry do usuwania żelaza i manganu............................. 276 8.7. Charakterystyka filtrów pospiesznych............................. 279 8.7.1. Prędkość filtracji.................................... 279 8.7.2. Złoża filtracyjne..................................... 281 8.7.3. Długość cyklu filtracji................................. 286 8.7.4. Płukanie złóż filtracyjnych............................... 288 8.7.. Drenaż filtrów pospiesznych.............................. 292 8.7..1. Drenaż niskooporowy............................. 292 8.7..2. Drenaż wysokooporowy............................ 294 8.7.6. Koryta popłuczyn.................................... 297 8.7.7. Rurociągi i osprzęt filtrów............................... 298 Literatura............................................... 299 VII
VIII 9. Procesy membranowe....................................... 301 9.1. Charakterystyka procesów membranowych oraz membran.................. 301 9.2. Procesy membranowe..................................... 308 9.2.1. Odwrócona osmoza (OO)................................ 311 9.2.2. Nanofiltracja (NF).................................... 316 9.2.3. Ultrafiltracja (UF).................................... 319 9.2.4. Mikrofiltracja (MF)................................... 324 9.2.. Elektrodializa (ED)................................... 32 Literatura............................................... 328 10. Procesy biologiczne........................................ 331 10.1. Podstawy procesów biologicznych.............................. 331 10.2. Nitryfikacja.......................................... 334 10.3. Denitryfikacja......................................... 33 10.4. Utlenianie i redukcja żelaza i manganu........................... 337 10.. Utlenianie i redukcja związków siarki............................ 340 10.6. Biologiczny rozkład związków organicznych........................ 341 Literatura............................................... 344 11. Adsorpcja.............................................. 34 11.1. Przydatność adsorpcji w oczyszczaniu wody........................ 34 11.2. Teoretyczne podstawy procesu adsorpcji........................... 346 11.2.1. Kinetyka przenoszenia masy............................. 347 11.2.2. Statyka procesu adsorpcji.............................. 347 11.2.3. Dynamika adsorpcji................................. 3 0 11.3. Stosowane adsorbenty i ich charakterystyka......................... 3 2 11.4. Zastosowanie adsorpcji na węglach aktywnych w oczyszczaniu wody........... 3 6 11.4.1. Rodzaje adsorbatów usuwanych z wód....................... 3 6 11.4.2. Charakterystyka technologiczna procesu adsorpcji................. 360 11.4.3. Regeneracja węgli aktywnych............................ 370 11.4.4. Skuteczność adsorpcji na węglu aktywnym..................... 371 11.. Adsorpcja na aktywnym tlenku glinu............................ 377 11..1. Usuwanie arsenu................................... 378 11..2. Usuwanie selenu................................... 378 Literatura............................................... 379 12. Odkwaszanie wody......................................... 382 12.1. Cel odkwaszania........................................ 382 12.2. Metody fizyczne........................................ 383 12.2.1. Urządzenia do napowietrzania wody........................ 386 12.3. Metody chemiczne...................................... 399 Literatura............................................... 402 13. Usuwanie żelaza i manganu z wody............................... 403 13.1. Występowanie żelaza i manganu............................... 403 13.2. Usuwanie żelaza z wody................................... 406 13.2.1. Usuwanie żelaza występującego w związkach nieorganicznych.......... 407 13.2.2. Usuwanie żelaza występującego w połączeniach ze związkami organicznymi.. 413 13.3. Usuwanie manganu z wody.................................. 421 13.4. Inne metody usuwania żelaza i manganu.......................... 429
13.4.1. Biologiczne utlenianie w złożach filtracyjnych................... 429 13.4.2. Utlenianie w warstwie wodonośnej......................... 431 13.4.3. Wymiana jonowa................................... 433 13.4.4. Adsorpcja jonów Mn(II) na wodorotlenku żelaza(iii)............... 433 13.4.. Filtracja przez złoża katalityczne oraz regenerowane KMnO 4........... 434 Literatura............................................... 43 14. Wymiana jonowa.......................................... 438 14.1. Wprowadzenie......................................... 438 14.2. Istota wymiany jonowej.................................... 439 14.3. Wymieniacze jonowe..................................... 440 14.3.1. Rodzaje i budowa wymieniaczy jonowych..................... 440 14.3.2. Główne właściwości jonitów............................. 442 14.3.3. Czynniki wpływające na przebieg wymiany jonowej................ 444 14.4. Cykl pracy wymieniaczy jonowych w warunkach przepływowych............. 447 14.. Zastosowanie wymiany jonowej w oczyszczaniu wody................... 449 14..1. Zmiękczanie wody.................................. 4 0 14..2. Demineralizacja i odsalanie wody.......................... 4 4 14..3. Usuwanie jonów fosforanowych i azotanowych................... 4 8 14..4. Wymiana azotu amonowego, metali ciężkich i radionuklidów........... 4 8 14... Usuwanie zanieczyszczeń organicznych....................... 460 14.6. Urządzenia do jonitowego oczyszczania wody....................... 462 14.7. Projektowanie wymienników jonitowych.......................... 46 Literatura............................................... 467 1. Infiltracja............................................... 469 1.1. Wykorzystanie infiltracji w ujmowaniu i oczyszczaniu wody................ 469 1.2. Warunki lokalizacji ujęć infiltracyjnych........................... 471 1.3. Obiekty zasilania warstwy wodonośnej wodą powierzchniową............... 473 1.4. Infiltracja jako proces oczyszczania wody.......................... 477 1.4.1. Rola basenów infiltracyjnych w oczyszczaniu wody................ 477 1.4.2. Procesy jednostkowe zachodzące w warstwie wodonośnej............. 482 1.. Skuteczność infiltracji w oczyszczaniu wody powierzchniowej............... 486 Literatura............................................... 49 16. Usuwanie z wody fitoplanktonu i zanieczyszczeń specyficznych.............. 497 16.1. Wprowadzenie......................................... 497 16.2. Usuwanie fitoplanktonu.................................... 498 16.3. Usuwanie toksyn sinicowych................................. 06 16.4. Usuwanie jonów azotanowych i amonowych........................ 10 16.4.1. Usuwanie azotu azotanowego............................ 10 16.4.2. Usuwanie azotu amonowego............................. 17 16.. Usuwanie metali ciężkich i radionuklidów.......................... 21 16.6. Usuwanie jonów fluorkowych................................ 2 Literatura............................................... 28 17. Dezynfekcja wody......................................... 31 17.1. Cel i istota dezynfekcji.................................... 31 17.2. Fizyczne metody dezynfekcji wody............................. 37 IX
X 17.2.1. Gotowanie i pasteryzacja wody........................... 38 17.2.2. Promieniowanie ultrafioletowe............................ 38 17.2.3. Ultradźwięki..................................... 40 17.3. Chemiczne metody dezynfekcji wody............................ 42 17.4. Dezynfekcja chlorem i jego związkami........................... 47 17.4.1. Charakterystyka dezynfektantów chlorowych.................... 47 17.4.2. Reakcje chemiczne zachodzące podczas dezynfekcji wody chlorem i podchlorynem sodu.......................................... 0 17.4.3. Dezynfekcja dwutlenkiem chloru.......................... 6 17.4.4. Sposoby dezynfekcji wody związkami chloru.................... 8 17.4.. Urządzenia do przygotowania i dawkowania dezynfektantów chlorowych.... 60 17.4.6. Zbiorniki kontaktu wody z dezynfektantami.................... 6 17.4.7. Dechloracja wody................................... 66 17.4.8. Chlorownie i magazyny dezynfektantów...................... 66 17.4.8.1. Chlorownie i magazyny chloru...................... 66 17.4.8.2. Chlorownie i magazyny podchlorynu sodu................ 74 17.4.8.3. Pomieszczenia instalacji ClO 2 i magazyny chemikaliów......... 7 17.4.8.4. Wymagania BHP przy składowaniu i technologicznym wykorzystaniu wapna chlorowanego............................ 76 17.4.8.. Postępowanie w czasie awarii chlorowej................. 76 17.. Ozonowanie wody....................................... 77 Literatura............................................... 84 18. Utlenianie chemiczne....................................... 88 18.1. Cel i miejsce utleniania chemicznego w układzie oczyszczania wody........... 88 18.2. Podstawy fizyczno-chemiczne utleniania........................... 90 18.3. Utlenianie chemiczne substancji występujących w wodach................. 91 18.3.1. Utlenianie nieorganicznych domieszek/zanieczyszczeń............... 92 18.3.2. Utlenianie substancji organicznych......................... 92 18.4. Procesy zaawansowanego utleniania............................. 97 18.4.1. Utlenianie ozonem i nadtlenkiem wodoru (O 3 H 2 O 2 )................ 99 18.4.2. Utlenianie odczynnikiem Fentona.......................... 600 18.4.3. Metody fotochemiczne................................ 600 18.4.4. Utlenianie fotokatalityczne.............................. 601 18.. Zastosowanie utleniania chemicznego w oczyszczaniu wody................ 602 Literatura............................................... 613 19. Uboczne produkty utleniania................................... 616 19.1. Wprowadzenie......................................... 616 19.2. Uboczne produkty chlorowania................................ 619 19.2.1. Halogenowane związki organiczne......................... 620 19.2.2. Niehalogenowane związki organiczne........................ 629 19.2.3. Nieorganiczne uboczne produkty chlorowania................... 630 19.3. Uboczne produkty chloraminowania............................. 630 19.4. Uboczne produkty utleniania dwutlenkiem chloru...................... 631 19.4.1. Niehalogenowane produkty uboczne......................... 632 19.4.2. Halogenowane produkty uboczne.......................... 63 19.4.3. Nieorganiczne produkty uboczne.......................... 636 19.. Uboczne produkty utleniania ozonem............................ 639 19..1. Organiczne produkty uboczne............................ 639 19..2. Nieorganiczne produkty uboczne.......................... 642 19.6. Zapobieganie powstawaniu ubocznych produktów utleniania................ 64 Literatura............................................... 647
XI 20. Oczyszczanie wody do celów przemysłowych......................... 6 0 20.1. Wymagany skład wody wykorzystywanej w przemyśle................... 6 0 20.2. Woda w obiegach chłodzących................................ 6 1 20.2.1. Wymagania stawiane wodzie przeznaczonej do chłodzenia............ 6 2 20.2.2. Powstawanie osadów w obiegach chłodzących................... 6 4 20.2.3. Zabezpieczenie obiegów chłodzących przed wytrącaniem się osadów oraz przed korozją........................................ 6 7 20.2.3.1. Oczyszczanie wody do chłodzenia.................... 6 8 20.3. Woda do celów kotłowych.................................. 669 20.3.1. Wymagania jakościowe wody............................ 669 20.3.2. Oczyszczanie wody do celów kotłowych...................... 677 20.3.2.1. Wstępne oczyszczanie........................... 677 20.3.2.2. Zmiękczanie wody............................. 678 20.3.2.3. Demineralizacja wody........................... 684 20.3.2.4. Odkrzemianie wody............................ 68 20.3.2.. Odgazowanie wody............................ 686 20.3.3. Inhibitorowa ochrona przed korozją i wytrącaniem osadów............ 691 Literatura............................................... 692 21. Korozja w środowisku wodnym.................................. 693 21.1. Wprowadzenie......................................... 693 21.2. Rodzaje korozji........................................ 69 21.3. Wpływ składu wody na korozję............................... 704 21.4. Ocena korozyjności wody................................... 708 21.. Przyczyny braku biologicznej i chemicznej stabilności wody................ 713 21.6. Sposoby stabilizacji wody.................................. 717 Literatura............................................... 722 22. Gospodarka ściekami i osadami powstającymi podczas oczyszczania wody....... 726 22.1. Rodzaj i objętość ścieków i osadów............................. 726 22.2. Skład osadów i ścieków.................................... 732 22.3. Metody przeróbki i unieszkodliwiania osadów i ścieków.................. 736 22.3.1. Zagęszczanie popłuczyn i osadów.......................... 737 22.3.2. Odwadnianie osadów................................. 744 22.3.3. Kondycjonowanie popłuczyn i osadów....................... 7 1 22.3.4. Odzysk chemikaliów z osadu............................ 7 7 22.3.. Wykorzystanie wody osadowej........................... 7 8 22.3.6. Unieszkodliwianie koncentratów z procesów membranowych oraz zużytych czynników regenerujących jonity............................. 7 9 22.3.7. Ostateczne usuwanie osadów............................. 761 Literatura............................................... 763 23. Wtórne zanieczyszczenie wody w systemie dystrybucji................... 766 23.1. Wprowadzenie......................................... 766 23.2. Przyczyny wtórnego zanieczyszczenia wody......................... 766 23.3. Zmiany jakości wody..................................... 770 23.4. Zapobieganie wtórnemu zanieczyszczeniu wody...................... 783 Literatura............................................... 784 Załączniki.............................................. 787