ODNOWA WODY Wykład 7 USUWANIE ZWIZKÓW BIOGENICZNYCH PRZY UYCIU METOD FIZYCZNO-CHEMICZNYCH W PROCESACH ODNOWY WODY
Formy substancji biogenicznych w roztworze (rozpuszczone, koloidalne, zawieszone) 1. Azot -NH3 -NO3- -NO2- -Norg 2. Fosfor -PO4 3- -P4O7 2- -Porg
Odnowa Wody - definicja Zespół jednostkowych procesów fizycznochemicznych oczyszczania cieków stosowany w celu wtórnego uycia wody (głównie w przemyle), lub ochrony zbiorników wodnych przed zanieczyszczeniem (głównie eutrofizacj). A. Kowal: Odnowa Wody, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1996.
2. Zaniechanie odnowy wody prowadzi do eutrofizacji wód powierzchniowych Ładunek substancji biogenicznych a) Ł = f (stenie, objto) N og 80 mg N/dm 3 P og 14 mg P/dm 3 V dob 150 dm 3 /doba (1999 120 dm 3 /doba) b) Ł = f (ładunek jednostkowy LMR) N og 12 g MR/doba P og 2,2 g MR/doba
Charakterystyka cieków miejskich Wskanik zanieczyszczenia Zawiesina Mtno Barwa Indeks coli Eks. eterowy Detergenty ChZT BZT 5 P og N og Kadm Ołów WWA Jednostka W.wod. c.miej. c. m.b.ocz. g/m 3 mg/dm 3 mg/dm 3 L/100 cm 3 mg/dm 3 g/m 3 g/m 3 g/m 3 g/m 3 g/m 3 g/m 3 g/m 3 mg/dm 3 0,0 1 5 0 0,06 0 3 0 0,02 0,1 0,001 0,03 0,0 400 100 120 10 8 2500 100 800 300 15 70 0,7 0,5 10 50 45 75 10 5 5 0,1 60 25 12 45 0,005 0,085 1 Wody powierzch III kl. 50 naturalna 10 4 15 1,0 100 12 0,4 15 0,1 0,05 2
Efektywno i koszt procesów jednostkowych w III stopniu oczyszczania cieków miejskich Proces jednostkowy cieki miejskie cieki B.O. BZT 5 ChZT mtno P N 300 20 Wskanik zanieczyszczenia(mg/l) 700 70 130 65 14 70 10 40 Indeks coli Koszt zw.rozp. L/100m 3 gr/m 3 550 500 10 9 10 7 25 Koagulacja CaO 5 40 4 1,5 20 500 10 3 10 Filtracja 1,5 35 2 0,1 20 500 10 2 5 Klinoptylolit (J) 1,5 35 2 0,1 2 500 10 2 20 Adsorpcja 0,5 6 2 0,1 2 500 10 2 20 Dezynfekcja (Cl 2 ) 0,0 6 0,5 0,1 2 600 0 5 Odwrócona osmoza 0,0 1 0,0 0,1 0,5 100 0 50
cieki oczyszczone 2.4. Schemat oczyszczania (II + III stopie) cieki surowe O O.Cz. O K O F D BZT 5 350 Nog 80 N NH + 4 45 Pog 14 270 70 40 13 30 45 38 11 25 40 2 20 30 0,3
5.2. Wydzielona nitryfikacja (N)/denitryfikacja(D) W Kn O Kni O O A D NO3-N2 Z
4.2. Proces UCT/po usprawnieniach LSO Ow Kb Kt O F Oc R Oz Od On osadnik wstpny (Ow) filtr (F) odstojnik/uwalniacz (Od) reaktor (R) odstojnik chemiczny (Oc) LSO (lotne substancje organiczne)
2.3. Stenia substancji biogenicznych w ciekach Nog Pog (mg/dm 3 ) cieki miejskie surowe 80 14.m.s. po II st. 45 11 oczyszczania (o.cz.) po III st. ocz.(str.chem.) 40 2(1,5) + filtr 30 0,3 + klinoptylolit 4 0,3.m.s. po wysoko- 12 1,2 efektywnych biologicznych metodach usuwania substancji biogenicznych
cieki oczyszczone 2.4. Schemat oczyszczania (II + III stopie) cieki surowe O O.Cz. O K O F D BZT 5 350 Nog 80 N NH + 4 45 Pog 14 270 70 40 13 30 (12) 45 (1,5)10 25 40 2 20 30 0,3
1. Charakterystyka metod biologicznych (η usuwania) materia organiczna ( BZT 5 ; ChZT 90% ; 85 % ) N og ( 25 % ) P og ( 10 % )
2. Rola koagulacji, sedymentacji, filtracji, mikrofiltracji materia organiczna (substancje biogeniczne:p og; N og (?) --- µ-zanieczyszczenia,metale cikie --- patogeny koagulacja (wapnem: LLP, HLP ) --- strcanie chemiczne jonity,utlenianie metody fizyczno-chemiczne
Striping gazowy proces jednostkowy usuwania substancji lotnych (gazowych) rozpuszczonych w wodzie przenoszenie masy (gazu) z fazy ciekłej do fazy gazowej Zastosowanie a) usuwanie amoniaku b) usuwanie odorów c) usuwanie lotnych substancji organicznych d) usuwanie siarkowodoru (H 2 S), tlenu (O 2 ), dwutlenku wgla (CO 2 )
3. Usuwanie azotu amonowego przez odpdzanie I FAZA NH 4+ + OH - NH 3 + H 2 O II FAZA usuwanie NH 3 C = k p Φ = f (k, T, s, c, D, t) czas powierzchnia temperatura grubowarstwy f (napicie powierzchniowe)
Istota metody fizycznej odpdzania amoniaku z roztworów wodnych polega zatem na przejciu NH3, obecnego w wodzie, do powietrza. Efekt ten uzyskuje si poprzez kontakt tych mediów Od czego zaley wielko przenoszonego ładunku-l? Wielko przenoszonego ładunku L = S t F Natenie strumienia (szybkoprzejcia przez gran rozdz faz) Czas trwania procesu Powierzchnia rozdziału faz
L = f ( S, t, F) Czynniki zalene i niezalene od technologa? Powierzchnia rozdziału faz - S Czas trwania procesu - t Natenie strumienia - F (szybkoprzejcia przez gran rozdz faz) Od czego zaley natenie strumienia F? F = f ( T, s, H, c, l ) Temperatura Zasolenie Grubo filmu Rónica cinie czst.w wodzie i pow Rodzaj gazu (stała Henryego)
1. Powierzchnia Jakie wielkoci spotykamy w praktyce? wod rozdeszczowuje si na krople ored d = 0,04-0,80 mm woda spływa po rozwinitej powierzchni, warstwa l = 0,1-0,8mm 2. Czas kontaktu mediów od 1 do 1800 sekund 3. Rónica prnoci czstkowych stenie w wodzie moe zmienia si w szerokich granicach (2-270 mg/l) stenie kocowe nie moe by mniejsze od stenia równowagowego
Procesy towarzyszce 1. Nastpuje usuwanie wszystkich substancji lotnych siarkowodór LZO (lotne zwizki organiczne) 2. Nastpuje napowietrzenie wody (wyrównanie cinie czstkowych wszystkich gazów z powietrzem atmosferycznym) wzrost stenia tlenu prowadzi do utlenienia składników zredukowanych, np.: 4Fe 2+ + O 2 + 2H 2 O = 4Fe 3+ + 4OH - Fe(OH) 3
Rozpuszczalno gazów A (g) A (aq) K = [A (aq) ] / [A (g) ] A A A ( aq) ( g) ( aq) = K A = = K RT K P P ( aq) H A A A ( ) g = PA RT K H - stała Henry ego A (aq) - [mol/litr]
Stenie gazu w wodzie jednostki cm 3 /dm 3 mg/dm 3 ml/l
Współczynnik rozpuszczalnoci Bunsena α A mol 22.400 ml ml = 22400 l mol SW l SW A (aq) = K H P A [mol/l] = K H 22.400 P A [ml/l] α A
α = f 1 1 1,, m.cz T S p,
3.1. Praktyczne aspekty usuwania wiee; zalety wiee; problemy
Striping gazowy proces jednostkowy usuwania substancji lotnych (gazowych) rozpuszczonych w wodzie przenoszenie masy (gazu) z fazy ciekłej do fazy gazowej Zastosowanie a) usuwanie amoniaku b) usuwanie odorów c) usuwanie lotnych substancji organicznych d) usuwanie siarkowodoru (H 2 S), tlenu (O 2 ), dwutlenku wgla (CO 2 )
Metoda bilansu materiałowego (1) Woda L, C o Powietrze G, y e L, C e G, y o Woda Powietrze
Metoda bilansu materiałowego (2) LC o + Gy o = LC e +Gy e L ilocieczy ( mol / jednostka czasu ) G ilogazu ( mol / jednostka czasu ) y o,e stenie gazu w gazie do(od)pływajcym ( mol / mol ) C o,e stenie gazu w cieczy do(od)pływajcej ( mol / mol ) (y o - y e ) = L/G (C e - C o )
Metoda bilansu materiałowego (3) prosta równowagi y e prosta operacyjna y o α tg L = L G C e C o
Metoda bilansu materiałowego (4) y o = 0 y e = L/G (C o - C e ) y mol NH 3 mol pow. 50 C 40 C 30 C 20 C 10 C 0,01 0,01 0,02 0,03 x ( mol NH 3 / mol H 2 O )
Metoda bilansu materiałowego (5) Stenie 1 (mol NH 3 /mol H 2 O) = 17 g NH 3 /18 g H 2 O 0,01 - - = 0,17 g NH 3 /18 g H 2 O 9,40 g NH 3 /1000 g H 2 O = 9400 mg NH 3 /1 dm 3
Metoda bilansu materiałowego (6) y e y e y o y o =0 C e C o y e Stenie w fazie gazowej y e C e C o y o =0 y o =0 C e C o C e C o Stenie w fazie ciekłej
Metoda bilansu materiałowego (7) G/L m 3 pow. m 3 H 2 O 10 4 tg α 10 3 10 2 10 20 30 40 50 temp. ( C) Zapotrzebowanie powietrza w procesie strypingu amoniaku w zalenoci od temperatury
Metoda bilansu materiałowego (8) Stenie w pow. y y e C 1 ; y e 1 C o ; y e y 2 C 2 ; y 2 2 C 1 ; y 2 y 1 3 C e C 2 C 1 C o Stenie w wodzie C
4. Usuwanie azotu metod wymiany jonowej a) NH 4+ ; klinoptyolit selektywno regeneracja b) NO 3- ; anionity ródło NO 3 - problemy
5. Usuwanie azotu amonowego przez utlenianie chlorem i ozonem a) w roztworze b) na wglu aktywnym c) na klinoptylolicie d) utlenianie ozonem e) usuwanie nadmiaru chloru
6. Koszty usuwania zwizków azotowych 6.1. Koszty procesów jednostkowych PROCES Koszt (zł/m 3 ) Nitryfikacja 0,10 Nitryf. + Denitryf. 0,25 Striping NH 3 0,10 Chlorowanie do przeł. 0,30 Wymiana jonowa 0,40
6.2. Składowe kosztów procesu chlorowania do p. przełamania Składowe kosztu Koszt (zł./m 3 ) Energia elektryczna 0,04 Chlor 0,16 Wapno 0,05 Obsługa 0,01 Amortyzacja 0,04
6.3. Koszty procesów w stacji odnowy wody (60 10 3 m 3 /doba) Proces jednostkowy % Stacja pomp 4 Strcanie chemiczne 9 Striping NH 3 24 Rekarbonizacja 4 Filtracja 7 Adsorpcja na wglu akt. 21 Chlorowanie (?) 4 Przeróbka osadów 20 Inne 7 100% 1,02 zł./m 3
7. Usuwanie fosforu koagulacja LLP, HLP symultaniczne strcanie
USUWANIE FOSFORU -Uogólnienie USUWANIE FOSFORU - Obejmuje: a) przeprowadzenie fosforanów (PO 4 3- ) w osad b) usuwanie osadu ad a) Moemy stosowa: osad biologiczny (mikroorganizmy) osad chemiczny (nierozpuszczalne sole) ad b) Moemy stosowa: sedymentacj filtracj przez złoa filtracj przez membrany
osad czynny złoa zraszane hydrofity Biol - P Rozp-P(PO 4 3 - ) Chem - P Ca 2+ Al 3+, Fe 3+ Sedy/Filtr/Membr Sedy/Filtr/Membr roztwór osad roztwór osad
Strcanie chemiczne dodatek wielowartociowych jonów tworzcych sole o małym iloczynie rozpuszczalnoci zwykle: Ca 2+, Al 3+, Fe 3+ Iloczyn rozpuszczalnoci: K n A m nk m+ + ma n- IL = [nk] m [ma] n
Strcanie fosforanów wapnem zwykle wapno gaszone: Ca(OH) 2 kolejno reakcji: Ca(OH) 2 + CO 3 2- = CaCO 3 + 2OH - ph<10 10Ca(OH) 2 + 6PO 4 3- + OH - = Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 20 OH - hydroksyapatyt
Ilo wapna palonego zaley od alkalicznoci wody (alk >> fosforany) Ca(OH) 2 niezbdne do uzyskania ph=11 600 500 400 300 200 100 100 200 300 400 Alkaliczno, mg/l jako CaCO 3 dawka równa 1,5 Alkaliczno
Strcanie fosforanów przy uyciu Al 3+ i Fe 3+ Równania reakcji podstawowych: Al 3+ + H n PO 4 3-n = AlPO 4 + nh + Fe 3+ + H n PO 4 3-n = FePO 4 + nh + Stechiometria zaley od: alkalicznoci ph metali ladowych ligandów alkalicznych
Diagramy jonowe lg IR lg IR -4-4 AlPO 4 (os) -5-5 Al(PO 4 ) x OH y -6-6 Al(OH) 3 Fe(PO 4 ) x (OH) y Fe(OH) 3 3 5 7 8 2 4 6 8 ph ph
Miejsca wytrcania fosforanów (D.Ch) D.Ch D.Ch i / lub D.Ch D.Ch D.Ch D.Ch D.Ch Filtr
Dawki metali (PO 4 3- + Al 3+ = AlPO 4 ) Redukcja fosforu (%) Stosunek molowy Al:P Zakres Warto typowa 75 85 95 1,25 1,50:1 1,60 1,90:1 2,10 2,60:1 1,4 : 1 1,7 : 1 2,3 : 1
1,00 0,10 0,01 Skala logarytmiczna 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Al : P Cz Prozp. Pozostajca w roztworze(proz/pcał)
Zagadnienia 1. Skład cieków miejskich 2. Zasada działania osadu czynnego 3. Striping amoniaku 4. Inne metody usuwania azotu nieorganicznego 5. Usuwanie fosforanów (strcanie chemiczne) - mechanizm - układy technologiczne - efektywno