Oczyszczanie wody - ściąga, pytania + odpowiedzi, np. na PWR;)

Pytania na egzamin z Oczyszczania Wody

 1) Dlaczego na filtrach powolnych nie stosujemy chemii?

 2) Proces katalitycznego odmanganiania?

 3) Ciąg technologiczny dla odpow. parametrów?

 4) Dlaczego ozon nie stosujemy jako jedynego dezynfekanta?

 5) Od czego zależy prędkość sedymentacji (wzór)?

 6) Co to jest koagulacja, typy koagulacji?

 7) Różnica popłuczyn od osadu?

 8) Różnica pomiędzy flotacją a flokulacją?

 9) Odkwaszanie ze względu na zasadowość?

10) Układ technologiczny wody powierzchniowej?

11) Zaprojektować układ?

12) Różnica pomiędzy filtracją powolną, a pospieszną?

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Odp: 

Ad.1 Dlaczego na filtrach powolnych nie stosujemy chemii?

Filtry powolne zwane są również filtrami biologicznymi, ponieważ podczas filtracji przez złoże filtracyjne zachodzą zarówno procesy fizyczne jak i biologiczne. Wynikiem tych zjawisk jest duży stopień usuwania cząsteczek stałych, rozkład biochemiczny zanieczyszczeń organicznych oraz transformacje niektórych zanieczyszczeń przebiegające przy udziale mikroorganizmów. Cechą filtrów powolnych jest mała prędkość filtracji wody, która najczęściej wynosi ok. 0,1[m/h], a przy skutecznym wstępnym oczyszczaniu wody może być większa od 0,3[m/h]. Procesami wstępnego oczyszczania może być sedymentacja lub filtracja pospieszna.

Wykluczone jest natomiast dawkowanie do wody przed filtrami powolnymi chemikaliów, co mogło by prowadzić do zniszczenia mikroorganizmów tworzących błonę biologiczną. Dlatego na filtrach powolnych nie stosujemy chemii. Cykl filtracji może wynosić od 1 do 6 miesięcy (w zależności od zanieczyszczenia). Przy tak długiej pracy filtrów powolnych na powierzchni jak i wewnątrz złoża filtracyjnego rozwijają się bakterie saprofityczne tworzące na powierzchni złoża błonę biologiczną. Bakterie spełniają bardzo ważną rolę w procesie oczyszczania wody w czasie filtracji. Procesy biochemiczne zachodzące w złożach filtrów powolnych są podobne do procesów samooczyszczania się wody przebiegających w wodach powierzchniowych oraz w warstwie gleby.

Ad.2 Proces katalitycznego odmanganiania?

Katalityczna reakcja utleniania manganu i opis jej: Odmanganianie wody w złożu wpracowanym przebiega w wyniku sorpcji katalitycznej. Mangan jest sorbowany na powierzchni ziarn złoża w postaci wodorotlenków. Zdolność sorpcyjna MnO₂ w stosunku do jonów Mn(II) w środowisku słabo alkaicznym wynosi powyżej 0,5 mola Mn(II)/mol MnO₂. Reakcja katalityczna utleniania manganu przebiega następująco:

Mn(OH)₂+MnO(OH)₂+H₂O => Mn₂O₃+2H₂O   

Mn(OH)₂+ 2MnO(OH)₂ => Mn₃O₄(OH)₂ +2H₂O

Mn₂O₃+¹/₂O₂+2H₂O => 2MnO(OH)₂

Mn₃O₄(OH)₂+2H₂O+¹/₂O₂ => 3MnO(OH)₂

Jak wynika z powyższych reakcji, Mn(II) dopływający z oczyszczaną wodą utlenia się do Mn(III) (Mn₂O₃) i częściowo Mn(III) (Mn₃O₄(OH)₂) w wyniku redukcji wytraconego w złożu MnO(OH)₂. Produkty utleniania Mn(II) oraz redukcji Mn(IV) utleniane są następnie do Mn(IV) tlenem rozpuszczonym obecnym w wodzie. Wytrącona powłoka MnO₂ * H₂O katalizuje utlenianie kolejnych ilości Mn(II) obecnych w wodzie dopływającej na wpracowane złoże filtracyjne.

Ad.5 Od czego zależy prędkość sedymentacji (wzór)?

Sedymentacja- jest to proces opadania cząstek. Opadanie cząstek w wodzie jest zjawiskiem złożonym i zależy między innymi od ich: stężenia; gęstości; kształtu; temp.; prędkości i kierunku przepływu wody.

Wzór na prędkość opadania (sedymentacji) uzyskuje się przyjmując, że siła ciężkości (G) jest równa oporowi (R) stawianemu cząstce przez ciecz w czasie jej opadania. Zatem wzór na prędkość sedymentacji jest następujący: (znajdź w necie;),gdzie: v_s- prędkość sedymentacji; d- średnica cząstki; g- przyśpieszenie ziemskie (g=9,81[m/s²]); ρ- gęstość wody (ρ=1000[kg/m³]); λ- współcz. oporu; ρ_c- gęstość cząsteczki. Prędkość sedymentacji jak wynika z powyższego wzoru zależy od: średnicy cząstki, gęstość cząsteczki, przyśpieszenia ziemskiego, gęstość wody i współcz. oporu.

Ad.6 Co to jest koagulacja, typy koagulacji?

Koagulacja- jest to proces łączenia się cząsteczek koloidu w większe konglomeraty i wytrącania się ich w postaci osadu; jest to przejście zolu w żel. Jest procesem często stosowanym w oczyszczaniu wód powierzchniowych, rzadziej infiltracyjnych i podziemnych. Metoda ta służy do oczyszczania wód zawierających koloidy i zawiesiny trudno opadające. W wyniku koagulacji usuwane są z wody cząstki trudno opadające oraz koloidalne decydujące o mętności wody (koloidy hydrofobowe) lub intensywności jej barwy (koloidy hydrofilowe). Koagulację prowadzi się koagulantami, których produkty hydrolizy powodują koagulację elektrolitem oraz koagulację koloidem o znaku przeciwnym. Koagulacja zachodzi w dwóch fazach: w I fazie- występujące bezpośrednio po dodaniu koagulanta, trwające sekundy przebiegają reakcje chemiczne i fizyczne prowadzące do destabilizacji cząsteczek koloidalnych; w II fazie- trwającej dłużej zwanej flokulacją, w wyniku transportu i zderzeń cząstek z destabilizowanych powstają kłaczki, które mogą być skutecznie usuwane z wody w procesach sedymentacji/flotacji i filtracji.

Zjawiska przebiegające podczas koagulacji: stabilne koloidy ^{destabilizacja}à niestabilne mikrokłaczki ^{transport i aglomeracja}à aglomeraty ^{częściowa deaglomeracja}à stan ustalony.

Proces koagulacji: schemat konstrukcyjny: woda surowa à I (roztwór koagulanta) à II à III à IV àV

I) komora szybkiego mieszania- rola hydrauliczna, polega tylko na wymieszaniu naszej wody z roztworem koagulanta (zw. chemiczne na bazie Al i Ca); II) komora flokulacji lub komora wolnego mieszania- kłaczkowanie, czas mieszania (15÷30 min.), zależy on od typu komory jaką zastosujemy. Mieszanie hydrauliczne lub mechaniczne;                                                                  

III) osadnik (osadniki)- osadniki o przepływie poziomym lub pionowym; IV) filtry pospieszne grawitacyjne;                                                                                                                                     V) dezynfekcja- ozonem lub chlorem.

Typy koagulacji: objętościowa; kontaktowa; powierzchniowa.

Koagulacja objętościowa i kontaktowa (prowadzonej w osadnikach kontaktowych), pierwszym etapem jest dodanie do oczyszczanej wody koagulanta, całkowite wymieszanie zapewniające jednorodność ukł. oczyszczana woda-koagulant oraz hydroliza koagulanta (uzyskuje się to w komorach szybkiego miesznia t=1÷3min.), drugim etapem jest flokulacja, zjawiska prowadzące do powstawania aglomeratów produktów dysocjacji i hydrolizy koagulanta z usuwanymi zanieczyszczeniami. W koagulacji objętościowej ta faza procesu realizowana jest w komorach wolnego mieszania(flokulacji), a w koagulacji kontaktowej w warstwie osadu zawieszonego. W koagulacji objętościowej kłaczki (aglomeraty) usuwane są z ukł., a w kontaktowej kłaczki (aglomeraty) usuwane są częściowo, resztę stanoi warstwa osadu zawieszonego. Koagulacja powierzchniowa może być realizowana w złożu filtrów pospiesznych, przy przepływie oczyszczanej wody przez złoże filtracyjne w kierunku z góry na dół lub odwrotnym. W tym ostatnim przypadku proces zwany jest filtracją kontaktową.

Ad.8 Różnica pomiędzy flotacją a flokulacją?

Flotacja- proces rozdziału rozdrobnionej różnoziarnistej  mieszaniny materiałów stałych, przy wykorzystaniu niejednorodnego powinowactwa do wody jej elementów składowych, które w utworzonej zawiesinie wodnej przy stałym zwilżaniu unoszą się wraz z wytwarzaną we flotowniku pianą, przy silniejszym opadają na jego dno. Celem flotacji stosowanej w oczyszczaniu wody jest rozdział fazy stałej (cząsteczek zawieszonych) od fazy ciekłej (wody). Flotacja może być stosowana zamiast sedymentacji (wtedy, gdy usuwane cząstki stałe maja gęstość mniejszą od wody, lub gdy różnica gęstości zawiesin i wody jest niewielka)                                                                                                             

Flokulacja- łączenie się ziarn ciała stałego, zdyspergowanego w ośrodku ciekłym, w większe agregaty, pod wpływem dodatku flokulanta.

Ad.9 Odkwaszanie ze względu na zasadowość?

Odkwaszanie realizuje się w procesie napowietrzania (otwarte lub ciśnieniowe). Intensywność odkwaszania wody zależy od jej zasadowości. W wodach o większej zasadowości znaczną część wolnego dwutlenku węgla stanowi przynależny CO₂ i z tego względu w takiej wodzie może pozostać więcej dwutlenku węgla, nie nadając jej agresywnego charakteru. Zasadowość wody decyduje o stosowanym sposobie jej napowietrzenia w celu odkwaszania, a więc rodzaju urządzeń do napowietrzania. Napowietrzanie w urządzeniach ciśnieniowych może być stosowane, jeżeli zasadowość wody jest ≥5[val/m³]. W zakresie zasadowości wody 2÷5[val/m³] należy stosować napowietrzanie otwarte, a mianowicie: przy zasadowości 4÷5[val/m³] -wytryski zwykłe bądź napowietrzanie kaskadowe; przy zasadowości 3÷4[val/m³] -dysze zderzeniowe lub inne urządzenia o podobnej skuteczności; przy zasadowości 2÷3[val/m³] -złoża ociekowe ze sztucznym bądź naturalnym ciągiem powietrza. Jeżeli zasadowość wody jest mniejsza od 2[val/m³], to po napowietrzeniu otwartym należy stosować chemiczne wiązanie dwutlenku węgla, gdyż usunięcie pozostałego agresywnego dwutlenku węgla metodą napowietrzania jest trudne. Po napowietrzaniu wody w wymienionych urządzeniach zawsze należy sprawdzić czy pozostał w wodzie jedynie przynależny dwutlenek węgla. Jeżeli warunek ten nie jest spełniony, to obecny agresywny CO₂ należy związać chemicznie.

Zasadowość wody decyduje, jakie napowietrzanie zastosować:

gdy zasM ≥ 5[val/m³]- to napowietrzanie ciśnieniowe; gdy zasM < 5[val/m³]- to napowietrzanie otwarte.

zasM= 4÷5[val/m³]- wytryski zwykłe (sitka);

zasM= 3÷[val/m³]- dysze amsterdamskie;

zasM= 2÷3[val/m³]- złoża ociekowe;

zasM<2[val/m³]- oprócz napowietrzania wiążemy za pomocą wapnia.

Ad.12 Różnica pomiędzy filtracją powolną, a pospieszną?

Filtracja powolna: prędkość filtracji (0,1¸0,5m/h); nazywane są filtrami biologicznymi (zachodzą procesy fizyczne i biologiczne); długi cykl filtracji; nie są płukane, oczyszczanie polega na usuwaniu 20¸40[mm] górnej warstewki piasku; procesami wstępnego oczyszczania może być sedymentacja lub filtracja pospieszna; procesy biochemiczne zachodzą w złożach filtrów powolnych są podobne do procesów samooczyszczania wody; filtracja powolna usuwa bardzo dużo bakterii; zapewnia zmniejszenie ok. 95% mętności i ok. 60% utlenialności; mniej skutecznie obniża intensywność zabarwienia; w filtracji powolnej nie stosuje się procesu koagulacji; wykluczone jest dawkowanie do wody chemikaliów przed filtrami powolnymi (może doprowadzić do zniszczenia mikroorganizmów tworzących błonę biologiczną).

Filtracja pospieszna: prędkość filtracji (5¸25m/h) duża wydajność; niższe koszty eksploatacji; łatwiejsze oczyszczanie przez płukanie; konieczność lepszego wstępnego oczyszczania wody; potrzeba wykwalifikowanej obsługi; znaczna ilość urządzeń mechanicznych; w filtracji pospiesznej stosuje się proces koagulacji.