Technologia Wody Wykład 7(1) Wody podziemne Infiltracja Politechnika Koszalińska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Studia Zaoczne, 3 rok
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
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
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 Barwa mg Pt/dm 3 < 15 Mętność mg SiO 2 /dm 3 < 1 Organizmy niewidoczne Plamy olejowe Zawiesina Zapach niewidoczne niewidoczna akceptowalny
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 0,3 250 1,5 250
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)
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
WARUNKI BAKTERIOLOGICZNE JAKIM POWINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA Wskaźnik Escherichia coli Enterokoki Clostridium perfiringes Ogólna liczba bakterii (37 C) Dopuszczalna liczba bakterii 0 0 0 20 Objętość próbki 100 100 100 1
DOPUSZCZALNE WARTOSCI WSKAŹNIKÓW ZANIECZYSZCZEŃ Kraj Barwa mg Pt/l Mętność mg SiO 2 /l Odczyn ph Żelazo mg/l Detergenty mg/l Polska 15 1 6,5-8,5 0,2 0,2 WHO 15 5 6,5-8,5 0,3 - UE 20 2 6,5-8,5 0,3 0,2 USA 15 5 6,5-8,5 0,5 0,5 Rosja - 1 6,5-8,5 0,5 0,5
Schematy Technologiczne w Oczyszczaniu Wody woda powierzchniowa a) zawiesina b) koloidy c) organiczne zw. refrakcyjne woda wgłębna a) czysta b) zakwaszona c) zażelaziona
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
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
Układy technologiczne (c.d.) Wz K S F A D U U Wu Opcja: utlenianie A- adsorpcja D- dezynfekcja
Wody wgłębne Studnia głębinowa Depresja/Lej Woda gruntowa Warstwa nienasycona / nasycona Warstwa nieprzepuszczalna Migracja w.powierz. Dziesiątki lat Woda wgłębna Warstwa wodonośna
Prawidłowe Wysortowanie? Scementowanie? Warstwa wodonośna (nasycenia/saturacji)
Strumień Strefa areacji Studnia Strefa saturacji Lustro wody gruntowej w czasie suszy
Zlewnia Dopływ podziemny Poziom wody gruntowej Wody wgłębne Linie przepływu lata dekady stulecia tysiąclecia dni Warstwy o zwiększonej porowatości
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 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 ) 2 + + Ca 2+ -gdy zabraknie tlenu SO 4 2- + CH 2 O + H 2 O = H 2 S + 2 HCO 3 - NO 3 - + CH 2 O + H 2 O = N 2 + 2 HCO 3 -wzrost twardości -odór
- kolejno jako utleniacze wykorzystywane będą: MnO 2 + CH 2 O = Mn 2+ + CO 2 + 2 OH - Fe 2 O 3 + CH 2 O = Fe 2+ + CO 2 + OH - NO 3 - + CH 2 O = N 2 + CO 2 SO 4 2- + CH 2 O = H 2 S + CO 2 -wzrost Fe 2+, Mn 2+ -wzrost CO 2 -siarkowodór
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 2+ + 2 HCO 3 - + + 2H 4 Al 2 SiO 4
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
Sorpcja. Desorpcja. Wymiana jonowa. Procesy zależne od: - ph - Eh - siły jonowej - stężenia substancji
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+
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 = 0.0004 kpa cco 2 = 1.03 mg/l 10 500 1000 agresywny półzwiązany związany pco 2 kpa CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 H + HCO 3 - H + CO 3 2-
Zależność od ph: CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 H + - + HCO 3 2H + 2- + CO 3 Udział % 100 50 CO 2 HCO 3 - CO 3 2-4 6 8 10 ph
CO 2 CO 2 atmosferyczny Jeszcze jedna forma... CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 = H + + HCO 3 - = 2H + + CO 3 2- + Ca 2+ Ca(HCO 3 ) 2 To jeszcze nie wszystko... CO 2 przynależny Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa w wodzie
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
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
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...
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.
Infiltracja. Schemat urządzeń Rzeka Basen Drenaż S.chłonna Studnia infiltracyjna Naturalna Infiltracja Sztuczna doby k=2 10-4 m/s Prędkość filtracji Różnica poziomów Odległość Współczynnik filtracji k= v h l (m/s)
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.
Kolmatacja v (m/s) 1,0 k- rośnie (?) maleje (?) 0,2 2 4 t(lata)
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 Sedymentacja Samokoagulacja Fotoliza Hydroliza Pr.biochemiczne Filtracja Wymiana jonowa Sorpcja Uśrednianie Rozpuszczanie + + + + + + + + + ++ + + - + + -- + + - - + -- - + Basen infiltracyjny Wpływ na skład wody: + duży - średni mały,lub żaden
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
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 A.Strefa areacji. Warstwa o małej miąższości - ok. 2m 1.Reakcje chemiczne: 2Fe 2 S 3 + 12O 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 2 0 + N 2 10Fe 2+ + 2NO 3 - + 24H 2 O N 2 + 10Fe(OH) 3 + 18H + H 2 SO 4 + 2HCO 3 - SO 4 2- +CO 2 + H 2 O
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?
B. Strefa saturacji. Strefa beztlenowa 1. Warstwa o dużej miąższości (kilkaset metrów) 2. Zachodzi redukcja azotanów 10Fe 2+ + 2NO 3 - + 24H 2 O N 2 + 10Fe(OH) 3 + 18H + C 6 H 12 O 6 + 2NO 3-6CO 2 + 6H 2 0 + N 2 3. Zakwaszenie- dalsze 10Fe 2+ + 2NO 3 - + 24H 2 O N 2 + 10Fe(OH) 3 + 18H + 4.Wzrost stężenia manganu 6MnO 2 + C 6 H 12 O 6 6Mn 2+ + 6CO 2 + 6H 2 O 5. Wzrost stężenia żelaza - - 2Fe(OH) 3 + 2NO 2 2Fe(OH) 2 + 2NO 3 + H 2 O
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? - CO 2 agresywny - Fe 2+ - Mn 2+ - mineralizacja - H 2 S, NH 3 (sporadycznie)
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.
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
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