Usuwanie żelaza w połączeniu ze związkami organicznymi
W przypadku żelaza występującego w wodach w połączeniu z anionem organicznym proces napowietrzania i filtracji w środowisku obojętnym nie znajduje zastosowania. Wprowadzenie do wody silnych utleniaczy niesie ze sobą niebezpieczeństwo powstania połączenia pomiędzy utleniaczem, a związkami organicznymi, co może spowodować powstanie toksycznych substancji niebezpiecznych dla człowieka. Jedną z metod, którą można by zastosować jest zwiększanie w uzdatnionej wodzie stężenia jonów wodorowych. Możemy to uzyskać przez obniżenie pH wody do wartości 2. W warunkach takich wodór wypchnie żelazo z aglomeratu (połączenie żelaza - związek organiczny) powodując uwolnienie żelaza II wartościowego do formy jonowej i dalsze jego przeprowadzenie w wodorotlenek żelaza (III). Po zakończeniu procesu konieczna jest korekta pH ponownie do wartości obojętnych. Na dzień dzisiejszy metoda ta nie znajduje szerokiego zastosowania i w przypadku usuwania żelaza w połączeniu ze związkami organicznymi najczęściej stosowana jest metoda koagulacji wody z wykorzystaniem związków glinu lub wapna. Żelazo usuwane jest w tej metodzie razem ze związkami organicznymi w wyniku zatrzymywania na powierzchni cząsteczek wodorotlenku glinu oraz innych produktów hydrolizy koagulantu. W przypadku stosowania koagulacji związkami wapna usuwanie żelaza zachodzi w trakcie wytrącania węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu. W przypadku tej metody wadą jest zubożenie wody w związki magnezu i dodatkowo dochodzi do zaburzenia równowagi węglanowo-wapniowej, dlatego uzdatnioną wodę poddaje się procesowi rekarbonizacji. Uzyskujemy to na drodze nasycenia wody dwutlenkiem węgla.
W przypadku uzdatniania wody z zawartością żelaza możemy stosować metody:
- napowietrzanie z filtracją
- napowietrzanie z alkalizacją i filtracją
Te dwie metody zalecane są dla wód głębinowych.
- koagulacja (zalecana jest dla wód powierzchniowych)
- usuwanie żelaza na jonitach - jest to metoda stosowana w przypadku uzdatniania wody na cele przemysłowe i ma ona zastosowanie tylko w przypadku niskich stężeń żelaza, które usuwane są równocześnie z usuwaniem twardości wody
W wodach występuje również mangan, także usuwany z wody. Występowanie manganu w wodzie nadaje jej właściwości podobne jak w przypadku żelaza: podwyższona barwa, mętność, w gospodarstwie domowym barwienie naczyń i tkanin, wytrącanie osadów.
Wysokie stężenia manganu w wodzie mogą być szkodliwe dla człowieka, dlatego mangan musimy usuwać z wody. W porównaniu z żelazem usuwanie manganu jest jeszcze bardziej zależne od pH środowiska. Istotą odmanganiania jest przeprowadzenie manganu (II) rozpuszczonego w wodzie do nierozpuszczalnej formy manganu (IV).
W środowisku obojętnym lub kwaśnym proces ten nie zachodzi. W przypadku, jeśli chcemy usunąć mangan z wody należy doprowadzić pH uzdatnionej wody do wartości 8,5 przynajmniej lub wyższej i dopiero w takim środowisku możemy zastosować proces napowietrzania i filtracji wody. Oczywiście uzdatniona woda charakteryzuje się dużą alkalicznością i musimy ja ponownie zobojętnić, co zmusza nas do zastosowania reagentów chemicznych powodujących jednocześnie zasolenie wody, dlatego na dzień dzisiejszy istnieją tak naprawdę dwie metody usuwania manganu z wody.
I stosowanie utleniaczy
II stosowanie złóż aktywowanych
W I metodzie zaleca się stosować w tym celu ozon lub dwutlenek chloru, które prowadzą do wytrącania manganu w postaci nierozpuszczonego, uwodnionego tlenku manganu, jednak metoda ta jest niezwykle kosztowna ze względu na ilość zużywanych reagentów. Ozon należy zużyć pięciokrotną zawartością manganu w uzdatnionej wodzie. Dwutlenek chloru: dziesięciokrotną zawartością manganu w wodzie.
Dlatego szersze zastosowanie znajduje II metoda polegająca na filtracji uzdatnionej wody przez złoże aktywowane. Aktywacja złoża polega na wytworzeniu na materiale filtracyjnym warstwy aktywnej składającej się z dwutlenku manganu. Warstwa ta posiada zdolność zatrzymywania manganu (II).
Aktywacja złoża może odbywać się w dwojaki sposób:
Samowpracowanie złoża - w nieaktywne złoże wprowadzamy uzdatnioną wodę zawierającą mangan, na tym złożu dochodzi do wytworzenia na ziarnach warstwy aktywnej składającej się z dwutlenku manganu.
Aktywacji złoża (sztuczna) - polega na wytworzeniu na złożu warstwy aktywnej przez wprowadzenie do złoża roztworu chemicznego zawierającego mangan, takim roztworem jest najczęściej nadmanganian potasu, aktywowane złoże kupujemy albo przygotowujemy sobie samodzielnie przez przepuszczanie przez złoże nieaktywne 10% roztworu nadmanganianu potasu, w wyniku tego procesu dochodzi do wytworzenia warstwy aktywnej dwutlenku manganu, która jest warstwą stabilniejszą od warstwy uzyskanej w procesie samowpracowania.
W przypadku usuwania manganu z wody możemy ten proces wprowadzić równolegle z usuwaniem żelaza, ale lepsze efekty uzyskujemy w wyniku zastosowania kolejności procesów polegających na:
- usunięciu żelaza
- usunięciu manganu na złożu aktywowanym
W usuwaniu manganu przeszkadzają obecne w wodzie kwaśne węglany, siarczany i azot w postaci amonowej.
Koagulacja - proces stosowany jest najczęściej do uzdatniania wód powierzchniowych, bardzo rzadko do stosowania wód infiltracyjnych i głębinowych, zalecany jest on do usuwania z wody zanieczyszczeń koloidalnych i zawiesin trudno opadających. Uzyskujemy obniżenie barwy i mętności. Istotą procesu jest zmniejszenie stopnia dyspersji układu koloidalnego w wyniku, czego dochodzi do połączenia mniejszych cząsteczek w większe aglomeraty, które następnie można usunąć na drodze sedymentacji lub flotacji oraz filtracji.
Rysunek 1
A - stabilny układ koloidalny
Cząsteczki posiadają swoje ładunki, powodujące wzajemne odpychanie cząstek, co nadaje układowi zdolność poruszania się w sposób charakterystyczny (ruchy Browna). Układ nie wykazuje zdolności samosedymentacji, przez tą swoją reakcję wzajemnych cząsteczek pozostaje w wodzie w układzie zawieszonym. W wyniku procesu koagulacji działamy czynnikiem zewnętrznym powodującym zablokowanie ładunku cząsteczek, przez co powodujemy destabilizację układu koloidalnego.
1 - destabilizacja układu koloidalnego
W wyniku destabilizacji cząsteczki koloidalne zaczynają się ze sobą łączyć tworząc niestabilne kłaczki.
B - niestabilne kłaczki
W wyniku dalszego transportu i zderzeń tych cząsteczek dochodzi do dalszego ich łączenia w aglomeraty.
2 - transport, dalsza aglomeracja
C - duże skupiska koagulantu, aglomeraty możemy wydzielić w sedymentacji
3 - proces deaglomeracji
Wytworzone aglomeraty są częściowo niestabilne i mogą ponownie rozpadać się do cząsteczek mniejszych ustalonych (ustabilizowanych). Są to cząsteczki mniejsze niż aglomeraty, ale większe niż w stanowisku wyjściowym, nie posiadają ładunku, dlatego możemy je usuwać z uzdatnionej wody.
D - stan ustabilizowany uzdatnionej wody
W praktyce uzdatniania wody w celu uzyskania procesu koagulacji, do wody najczęściej dodaje się koagulanty w postaci siarczanu glinu, siarczanu żelaza II i III wartościowego oraz chlorku żelaza III wartościowego. Są to związki chemiczne, które wprowadzamy do wody.
Fazy procesu koagulacji
I destabilizacja
Występuje ona bezpośrednio po dodaniu koagulanta do uzdatnionej wody, trwa kilka sekund i w trakcie tej fazy zachodzą reakcje chemiczne powodujące destabilizację układu koloidalnego.
II flokulacja
Trwa znacznie dłużej, odpowiada za proces tworzenia się aglomeratów w wyniku transportu i zderzeń cząstek, w fazie tej powstaje charakterystyczny osad dla koagulacji w postaci zawiesiny włóknistej powszechnie zwanej kłaczkami.
Rysunek 2
1 - komora szybkiego mieszania
2 - dozownik koagulanta
3 - dozownik korektora pH
4 - dozownik obciążników
5 - dozownik węgla aktywnego pylistego
6 - komora wolnego mieszania
7 - osadnik
8 - filtr
W komorze szybkiego mieszania zachodzi I faza koagulacji. W komorze wolnego mieszania zachodzi II faza koagulacji (flokulacja - wytworzenie kłaczków). W osadniku zachodzi proces sedymentacji. Woda, która odpływa przenosi niewielkie ilości drobin, które są zatrzymywane na filtrze. Proces filtracji polega na doczyszczeniu aglomeratów, które nie uległy procesowi koagulacji.
I faza trwa kilka sekund, ustalamy ją doświadczalnie dla procesu. II faza w komorze wolnego mieszania może trwać od 30 do 90 minut. Bardzo ważne, aby doszło do wytworzenia prawidłowej struktury osadu.
Koagulant. Proces koagulacji jest zależny od typu zastosowanego koagulanta, od jego formy oraz od jego dawki. Koagulant możemy dodawać w postaci stałej (potrzebujemy jedno urządzenie, długi czas na rozpuszczenie się koagulanta w wodzie uzdatnionej) lub w postaci roztworu (liczba urządzeń jest większa, łatwiejsze jest dawkowanie, proces koagulacji zachodzi od razu). Dawkowanie koagulanta - konieczne jest dobieranie dawki optymalnej.
Wykres 1
1 - brak zmiany parametrów, zbyt mała dawka koagulanta
2 - zapoczątkowanie procesu koagulacji, przebiega ona szybciej, zaczyna zachodzić faza rozpoczęcia przebiegu koagulacji, dochodzi do ustalenia dawki optymalnej dla procesu koagulacji
3 - dalsze zwiększanie dawki koagulanta nie zwiększa efektywności procesu
4 - wtórne zanieczyszczenie uzdatnionej wody, wzrastająca dawka koagulanta może spowodować wyższą barwę wody uzdatnionej (gorsze parametry)
5 - ustalenie się barwy wody uzdatnionej na pewnej wartości, może powrócić do barwy wyjściowej
6 - ponowny proces koagulacji, ale spowodowany przesyceniem wody roztworem koagulantu
Najbardziej efektywny proces koagulacji (pomiędzy 2-3). Zakończenie procesu powinno przebiegać po drugim etapie. Powyżej 3 dalsze zwiększanie kosztów procesu, zanieczyszczenie wody uzdatnionej.
Korektory pH
Cechą charakterystyczna poszczególnych koagulantów jest ich właściwe działanie w odpowiednim pH np. siarczanem żelaza (III), daje nam najlepszy efekt koagulacji i jeżeli zapewnimy pH procesu w granicach od 7-7,8. W przypadku siarczanu glinu proces koagulacji przebiega najefektywniej przy wartości powyżej 7. Wartość nie może być mniejsza niż 6,5 ponieważ w środowisku tym następuje hydroliza koagulanta.
Obciążniki
Są to substancje chemiczne, które wprowadzamy do uzdatnionej wody w celu przyspieszenia procesu koagulacji. Są to odczynniki, które w sposób mechaniczny przyspieszają zderzenia cząstek a dodatkowo działają także jako obciążniki powstających osadów przyspieszając ich proces sedymentacji. Bardzo często stosowanym obciążnikiem jest aktywna krzemionka, która dodatkowo powoduje uniezależnienie procesu koagulacji od temperatury środowiska.
Węgiel aktywny pylisty
Posiada zdolność sorbowania. Zatrzymuje zanieczyszczenia (proces sorpcji) organiczne i dalej wydziela się z uzdatnionej wody w procesie sedymentacji.