Wykład II.doc

Uzdatnianie wody i oczyszczanie ścieków

Pobieranie wody za pomocą:

- ujęcia powierzchniowego

- ujęcia głębinowego

W przypadku ścieków są one dostarczane do oczyszczalni za pomocą:

- kanałów kanalizacyjnych

- wozów asenizacyjnych – zbieranie ścieków na terenach, gdzie nie powstała kanalizacja i są dowożone do oczyszczalni

Pierwszym procesem jest proces cedzenia. Ma on zatrzymać ciała stałe, pływające po powierzchni cieczy, zawieszone w niej lub porywane z dna koryta rzecznego lub kanału ściekowego.

Cedzenie ma chronić kolejne urządzenia na stacji uzdatniania wody lub oczyszczalni przed ewentualnym uszkodzeniem, zniszczeniem. Proces ten nie jest wymagany w przypadku wód głębinowych. Jest to proces trzystopniowy, który jest prowadzony na trzech typach urządzeń, do których zaliczamy: kraty, sita i mikrosita.

Kraty występują na stacjach uzdatniania wody jak też na oczyszczalniach ścieków. Konstrukcyjnie kraty stanowią zespół pionowych prętów wykonanych z miedzi lub stali nierdzewnej zamontowanych na ujęciu wody powierzchniowej lub w kanale doprowadzającym ścieki do oczyszczalni (przed kratami: punkt zrzutu ścieków z wozu).

Kraty mogą być gęste lub rzadkie od 20 do 50 mm. Znajdują się najczęściej na zewnątrz, czyli w okresie zimowym muszą być poddawane ogrzewaniu poprzez parę wodną lub ogrzewaniu elektrycznemu. W przypadku ujęć wód na kratach zatrzymują się wszystkie duże zanieczyszczenia (gałęzie, puszki, większe skupiska glonów, duże ryby). W przypadku oczyszczalni na kratach zatrzymuje się wszystko, co wrzucone zostanie do toalety a nie osiądzie w kanale w trakcie przepływu ścieku.

Sita to następne urządzenia występujące po kratach. Sita są charakterystyczne dla stacji uzdatniania wody (SUW) natomiast na oczyszczalniach ścieków mają trochę inne zastosowanie.

Na stacjach uzdatniania wody sita mają konstrukcję z siatki nierdzewnej lub blachy perforowanej rozpiętej na stelażu, wielkość oczek od 2 do 5 mm, wykonywane są jako urządzenia ruchome i sita wymienne.

Na sitach zatrzymują się liście, kolonie glonów, które zdołały przepłynąć przez kraty lub małe rybki. Sita czyszczone są najczęściej strumieniem cieczy.

Sita na terenie oczyszczalni ścieków mają dwa zastosowania:

- oddzielenie zanieczyszczeń stałych znajdujących się w ściekach, które przeszły przez kratę, odbywa się to na sitach samoczyszczących

- zatrzymanie zawiesin organicznych po procesie biologicznego oczyszczania ścieków (oczyszczanie ścieków bytowo-gospodarczych) na terenie oczyszczalni przemysłowych sita są stosowane do zatrzymywania substancji, które są wykorzystywane w produkcji lub odpadów poprodukcyjnych, które przedostały się do ścieków, a można je odzyskać i ponownie wykorzystać.

Mikrosita występują na terenach stacji uzdatniania wód i sporadycznie na terenach oczyszczalni. Jest ono wykonane z tkaniny głównie syntetycznej, rozpiętej na obracającym się bębnie, wielkość oczek tej tkaniny dochodzi do 10 mikrometrów.

Proces oczyszczania: woda/ścieki wprowadzane są do środka bębna, który obraca się z prędkością 3-4 obrotów/min, na tkaninie zatrzymują się zanieczyszczenia, a woda i ścieki przepływają poza bęben, następnie zanieczyszczenia są zbierane z tkaniny i odprowadzone do wysuszenia.

Na SUW (stacjach uzdatniania wody) zatrzymywane są zanieczyszczenia, które przeszły przez kraty i sita takie jak glony i plankton.

Na oczyszczalniach ścieków zatrzymywane są ścieki przemysłowe takie jak zawiesiny biologiczne, substancje wykorzystywane w produkcji.

Drugi proces to sedymentacja. Jest to rozdzielenie ciał stałych od cieczy z wykorzystaniem siły ciężkości, czyli ciała stałego o gęstości większej niż woda podlegają procesowi opadania i osadzania na dnie urządzeń, w których ten proces przeprowadzamy.

Proces sedymencja znalazł szerokie zastosowanie w technologii wody i ścieków. Jest on stosowany w celu zatrzymania zawiesin czy to zawiesin mineralnych czy też organicznych, przez co na SUW chronimy filtry przed zakolmatowieniem (zapchaniem) złoża, a w oczyszczalniach ścieków chronimy urządzenia do biologicznej oczyszczalni ścieków przed zrzutem nadmiernej ilości zanieczyszczeń organicznych i przed przedostaniem się zawiesin mineralnych (np. piasku) do reaktorów biologicznych, powodując w nich uszkodzenie błony biologicznej czy osadu czynnego.

Proces sedymencja przeprowadzamy w 2 typach urządzeń:

1. Piaskowniki zatrzymują zawiesinę mineralną (np. piasek)

2.Osadniki zatrzymują:

- na SUW: osady pochodzące z procesów koagulacji, napowietrzania i strącania chemicznego

- na oczyszczalniach ścieków: zawiesiny organiczne oraz osady pochodzenia chemicznego np. proces defosfatacji chemicznej – oczyszczalnie bytowo-gospodarcze lub proces strącania chemicznego (oczyszczalnie przemysłowe).

Zawiesiny dzielimy na dwa rodzaje:

- zawiesina ziarnista

- zawiesina włóknista

Zawiesina ziarnista – procesowi sedymencja ulegają cząstki o kształcie kulistym, niezmieniające w trakcie opadania swoich podstawowych parametrów fizycznych, czyli nie zmieniają swojego kształtu, wielkości i gęstości. W trakcie opadania dochodzi do ich wzajemnego oddziaływania, zakłócenia opadania cząstki wirami wywołanymi przez jej poprzedniczkę, co najczęściej powoduje zmniejszenie prędkości opadania, a także zmianę średniej prędkości opadania w wyniku kontaktu cząstki ze ścianami urządzenia (efekt przyścienny). Mówimy o sedymentacji skupionej (wszystkie elementy muszą wystąpić). Przy projektowaniu urządzeń do technologii uzdatniania wody i ścieków wprowadza się pewne ułatwienia, przyjmując sedymentację swobodną, czyli zakłada się wtedy, że stężenie cząsteczek jest na tyle małe, że można pominąć oddziaływanie pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami. W projektowaniu przyjmujemy sedymentację jako swobodne opadanie cząsteczek w nieorganicznej przestrzeni.

Zawiesina włóknista charakteryzuje się tym, że jej cząsteczki posiadają nieregularny kształt, często o dużej powierzchni przy małej gęstości. Zawiesina ta posiada właściwości łączenia się cząsteczek w większe skupiska. Utworzone aglomeraty po pewnym czasie ulegają sedymentacji, ponownie rozpadają się na mniejsze cząstki. W przypadku projektowania urządzeń do tego typu zawiesiny obliczenia należy poprzedzić badaniami laboratoryjnymi określającymi czas opadania konkretnej zawiesiny, dla której projektowane jest urządzenie.

Trzeci proces to flotacja. Występuje w wodzie i w ściekach. Jest to proces oddzielenia fazy stałej od fazy ciekłej polegający na wynoszeniu cząsteczek gęstości mniejszej od gęstości cieczy na jej powierzchnię.

Flotacja może być uważana za pewną odmianę sedymentacji tylko, że nie obserwujemy opadania tylko wynoszenie.

Proces ten zachodzi w komorach flotacyjnych, ale także w osadnikach i w piaskownikach.

Flotację można przyspieszyć w sposób sztuczny przez wprowadzenie do komory flotacji pęcherzyków powietrza, które podczepiając się pod cząsteczkę, przyspieszają jej wypłynięcie na powierzchnię.

Rozróżniamy 3 rodzaje flotacji:

- flotacja ciśnieniowa – polega na tym, że wodę pod ciśnieniem nasycamy powietrzem i taką wodę wprowadzamy do komory flotacji, w wyniku spadku ciśnienia w trakcie wpłynięcia wody do komory dochodzi do wytworzenia mikroskopijnych pęcherzyków

- flotacja sprężonym powietrzem – polega na wprowadzeniu do wody powietrza o kształcie pęcherzyków wytworzonych przez specjalne urządzenia umieszczone w komorze zwanej dyfuzorami

- flotacja próżniowa – polega na uzyskaniu pęcherzyków przez wytworzenie podciśnienia w komorze flotacji, co prowadzi do wydzielania się gazów rozpuszczonych

Czwarty proces to proces odżelaziania. Jest to charakterystyczny proces uzdatniania wody na stacjach uzdatniania wody (SUW) wód głębinowych.

W głębinowych wodach naturalnych żelazo występuje na 2 i 3 stopniu utleniania, przy czym w wodach głębinowych o małej zawartości tlenu rozpuszczonego dominuje żelazo na drugim stopniu utleniania. Żelazo występuje najczęściej w połączeniu z kwaśnymi węglanami i siarczanami, są to tak zwane zanieczyszczenia pochodzenia mineralnego. Żelazo może także występować w połączeniu ze związkami organicznymi, gdy woda przepływa przez tereny torfowe to są to związki zwane humusowymi.

Niezależnie od formy występowania żelazo nadaje wodzie następujące cechy:

- powoduje podwyższenie barwy

- powoduje podwyższenie mętności

- powoduje pogorszenie smaku nadaje gorzki smak, tzw. atramentowy

Efekty, które wywołuje woda z żelazem:

- barwienie tkanin i papieru

- pozostawia rdzawy osad na naczyniach i urządzeniach

- osad pochodzenia biologicznego (bakterie żelazolubne w wyniku ich umierania powstaje osad)

Żelazo w nadmiarze nie jest szkodliwe dla człowieka, ale nie mamy także żadnej korzyści, gdyż go nie przyswajamy.

Istotą procesu odżelazienia jest przeprowadzenie żelaza II wart. w żelazo III wart. i następnie usunięcie go z uzdatnionej wody.

Proces uzależniony jest od formy występowania żelaza. W przypadku występowania żelaza w połączeniu z kwaśnymi węglanami proces uzdatniania jest stosunkowo prosty i polega na:

- napowietrzaniu wody

- sedymentacji (przy dużych ilościach wodorotlenku żelaza III wart.)

- odżelazienie na drodze filtracji

- dezynfekcja

- odprowadzenie do odbiorcy

Fe(HCO3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2CO3

2H2CO3 = 2H2O + 2CO2  - kwas węglowy, który jest niestabilny

Woda w momencie pobrania jest klarowna potem mętnieje.

Napowietrzając przyspieszamy wydzielanie dwutlenku węgla z wody, co sprzyja wytrącaniu wodorotlenku żelaza (II), dalsze napowietrzanie powoduje utlenianie wodorotlenku żelaza II do wodorotlenku żelaza III, który charakteryzuje się większą stabilnością i łatwiejszym usunięciem, wydzieleniem go z wody. Usuwanie wodorotlenku żelaza III z wody następuje w procesie sedymentacji.

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3

Powstały osad opada na dno odbiornika, woda pozbawiona osadu przepływa na złoże filtracyjne, na którym dochodzi do usunięcia pozostałości żelaza.

H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + 2H2O

H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O

W procesie filtracji dochodzi do usunięcia pozostałości żelaza, w wyniku osiadania na materiale porowatym, po takim złożu woda wypływa klarowna.

Proces usuwania żelaza może być utrudniony w wyniku obecności w uzdatnionej wodzie substancji organicznych, które mogą działać jak koloidy ochronne.

Niekorzystnie wpływa obecność w uzdatnionej wodzie siarczanów sodu i potasu oraz znaczna zawartość dwutlenku węgla.

Żelazo w połączeniu z siarczanami

FeSO4 + 2H2O → Fe(OH)2 + H2SO4

- napowietrzanie, alkalizacja, sedymentacja obowiązkowa, odżelazienie i dezynfekcja

Odżelazianie takiej wody jest trudniejsze w przypadku żelaza połączonego z kwaśnymi węglanami.

Wody takie powinny posiadać własną zasadowość (neutralizowana jest wtedy kwasowość).

Po dodaniu jonów wapnia i sodu następuje wzrost twardości niewęglanowej. Dawka jonów jest dobierana w zależności od zasadowości uzdatnionej wody.

Procesowi uzdatniania wody razem z alkalizacją towarzyszy wydzielenie większej ilości osadów niż w przypadku uzdatniania wody posiadających żelazo w połączeniu z kwaśnym węglanem.