Podstawa zanieczyszczeń wody

Koagulacja -
Koloidy występują:

-często w wodach powierzchniowych
-rzadziej w podziemnych.
Najczęściej powodują mętność, barwę i podwyższony wskaźnik ChZt.
Niektóre cząsteczki związków organicznych nie dają efektu mętności i barwy, a są koloidami.
Wartości dopuszczalne w wodzie do picia – mętność max. 1NTU

(NTU jednostka mętności Nefelometric Turbidity Unit)

-barwa max. 15 mg/dm3 Pt
(skala platynowa)

-ChZT_KMnO4 – 5 mg/Dm³

Koloidy stanowią cząstki stałe o wymiarach 10^-7 – 2 x 10^-5cm.

Woda jest ośrodkiem rozpraszającym a cząstki są w niej rozproszone.
(układ koloidalny składa się z fazy rozproszonej i rozpraszającej)

Budowa cząstek koloidalnych.

Budowa cząstek jest micelarna. Podstawowym składnikiem miceli jest jądro (w centralnej części). Stanowi je cząsteczka trudno rozpuszczalnego związku obdarzona ładunkiem elektrycznym. Oddziałuje ona na inne ładunki – jony znajdujące się w roztworze powodując ich przyciąganie.
Wokół jądra tworzą się dwie warstwy ładunków:

• Ściśle przylegająca do powierzchni cząsteczki, tzw. Warstwa adsorpcyjna

• Oddalona, rozmyta i słabo przyciągana, warstwa dyfuzyjna.

Cząstka dzięki budowie micelarnej posiada ładunek elektryczny. Między cząstkami w roztworze występuje wzajemne odpychanie, gdyż posiadają ten sam znak ładunku. Cząstki są trwałe, stanowią silnie rozproszoną fazę stałą w wodzie, która jest ośrodkiem rozpraszającym. Miarą trwałości cząstek jest tzw. potencjał elektrokinetyczny – zeta. Posiada on znak ujemny lub dodatki, dla większości stabilnych koloidów jego wartość wynosi +-70mV. Pomiaru można dokonać za pomocą ,,zeta metru” .
Rodzaje koloidów w wodach naturalnych:

• Glinokrzemiany x Al₂O₃ y SiO₂ z H₂O

• Krzemionka koloidalna n SiO₂

• Ily

• Związki humusowe (w połączeniach z Fe i Mn) powodują również barwę.

Koloidy pochodzenia antropogenicznego: (zanieczyszczenia ,,zewnętrzne’’)

• Skrobia

• Białka

• Celuloza

• Barwniki syntetyczne

Istotą procesu koagulacji jest zmniejszenie stopnia dyspersji układu koloidalnego. Następuje łączenie się pojedynczych cząstek fazy rozproszonej, w większe skupiska – aglomeraty. W takiej postaci mogą być usunięte w procesach sedymentacji lub filtracji.
Usuwanie koloidów wymaga destabilizacji ich cząstek, a następnie wytworzenia mechanicznie trwałej fazy stałej, którą następnie oddzieli się z wody.
Destabilizacja chemiczna odbywa się za pomocą koagulantów.
Koagulanty: Sole żelaza i glinu – siarczany i chlorki.

• Są dawkowane do wody w postaci roztworów wodnych.

• Działanie koagulantów polega na zobojętnianiu ładunku koloidu.

• Po tym następuje etap flokulacji (kłaczkowania)

Kłaczki po osiągnięciu dużych rozmiarów będą oddzielone przez sedymentację.

Chemizm działania koagulantów.

Al₂(SO₄)₂+6H₂O = 2Al(OH)₂+3H₂SO₄

pH 5,5 – 7,5

Fe₂(SO₄)₃+6H₂O = 2Fe(OH)₃+3H₂SO₄

pH 5 – 9-9,6

FeCl₃+3H₂O = 2Al(OH)₃+3HCL

pH 5-7 i >8,5

Siarczan żelaza (II) FeSO₄

FeSO₄+2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄

pH 9-11 i użycie utleniacza

[Fe(OH)₂ Fe(OH)₃]

Polichlorek glinu [Al(OH)₂Cl_y]_n

Glinian sodowy : Na₂Al₂O₄

Koagulant glinowo – żelazowy ALF, mieszanina: Al₂(SO₄)₃ + Fe(SO₄)₃

Destabilizacja cząstek koloidalnych

Wodorotlenki Al(OH)₃ i Fe(OH)₃ utworzone z cząsteczek koagulantów są koloidami o ładunkach, których znaki są przeciwne do znaku ładunku zanieczyszczeń. Powodują: zobojętnienie ładunku i zmianę potencjału zeta. Potencjał zeta powinien osiągnąć wartość zero. Jest to możliwe wtedy, kiedy zostanie zastosowana odpowiednia dawka koagulantu.
Uwarunkowania procesu koagulacji. Skuteczność działania koagulantu zależy od wielkości dawki i pH środowiska. Dawka u pH muszą być dobrane optymalnie. W przeciwnym razie można otrzymać nie tylko gorsze rezultaty, ale nawet zwiększenie trwałości koloidów.
Proces koagulacji jest wrażliwy na bodźce mechaniczne, tj. mieszanie, zmiany prędkości przepływu itp. Za pomocą tych bodźców doprowadza się do układu energię. Zbyt duża ilość może spowodować skutek odwrotny, tzn. zamiast destabilizacji utrwalenie koloidu lub nawet jego zwiększenie.

Etapy procesu koagulacji.

1. Dawkowanie roztworu koagulantu i szybkie jego wymieszanie z wodą

2. Mieszanie powolne w celu utworzenia kłaczków o dobrej opadalności – flokulacja

Urządzenia techniczne

Mieszalniki i komory flokulacji

• Hydrauliczne – wykorzystanie energii strumienia wody przepływającej.

• Mechaniczne – dostarczenie energii za pomocą mieszadeł mechanicznych.

Rodzaje mieszalników

Hydrauliczne – t_p = 10-180s
z przegrodami: przepustowymi i perforowanymi
pionowe z wirowym ruchem wody

Mechaniczne – t_p = 10-60s z mieszadłami śmigłowymi i
łopatkowymi.

Objętość mieszalnika

V = Q t_p

Komory flokulacji

• Hydrauliczne: labiryntowe, pionowe z wirowym ruchem wody, wodo skrętne zespolone z osadnikiem pionowym.

• Mechaniczne: mieszenie za pomocą mieszadeł, usytuowanie pionowe lub poziome osi mieszadeł.

Podstawowe wielkości projektowe.

• Czas przepływu wody t_p 6-30min

• Odpowiednia dynamika przepływu

• Mieszanie zawartości gradientu prędkości

Objętość komory V = Q t_p