1. Dlaczego w odnowie wody stosuje się koagulacje wapnem?

2. Wady i zalety koagulacji wapnem?

3. Cel rekarbonizacji - porównać jednostopniową z dwustopniową?

4. Czym różni się demineralizacja od odsalania?

5. Odpędzanie amoniaku?

6. Procesy usuwania fosforanów i azotu?

7. Procesy membranowe w odnowie wody?

8. Porównać rekarbonizację jednostopniową z dwustopniową?

9. Istota odsalania?

10. Jonity - właściwości i reakcje jakie na nich zachodzą?

11. Narysować i omówić układ do demineralizacji jonitowej?

12. Narysować lub wymyśleć jakiś układ na podane parametry wody - czy może być stosowany, czy jest coś w

nim źle?

13. Wady i zalety rekarbonizacji?

Daje 6 pytań na egzaminie !!!

1) Dlaczego w odnowie wody stosuje się koagulacje wapnem:

Koagulacja i chemiczne strącanie to głowni przedstawiciele chemicznego oczyszczania w odnowie wody. Stosuje się je w celu usunięcia ze ścieków biologicznie oczyszczonych koloidów i drobno zdyspergowanych zawiesin. Procesy te zapewniają sklarowanie i odbarwienie ścieków, a także wysoki stopień usuwania org. zw. rozpuszczonych i substancji biogennych. Ponieważ ścieki biologicznie oczyszczone są mieszaniną wielofazową i wieloskładnikową, zawierającą zanieczyszczenia org. i mineralne, dlatego koagulacja i chemiczne strącanie występują łącznie (wzajemnie się uzupełniając). Podstawowym i najczęściej stosowanym koagulantem w odnowie wody jest wapno, stosowane są również hydrolizujące sole Al i Fe. Jednak wapno jest najbardziej uniwersalnym koagulantem, pozwala na usunięcie ze ścieków nie tylko koloidów i trudno opadających zawiesin (koagulacja), ale także fosforanów (strącanie i koagulacja), amoniaku (desorpcja), metali ciężkich (strącanie), znaczną część org. zw. rozpuszczonych (adsorpcja) oraz bakterii i wirusów (dezaktywacja). Wapno nie zwiększa zasolenia ścieków.

W zależności od pH ścieków podczas koagulacji, wyróżnia się dwa rodzaje koagulacji wapnem:

• koagulacja małymi dawkami wapna, w zakresie pH= 9,5÷10,5. Podczas koagulacji wapno reaguje ze zw. Ca i Mg obecnymi w ściekach: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O;

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O; Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → MgCO₃ + CaCO₃↓ + 2H₂O.

• koagulacja dużymi dawkami wapna, powyżej pH= 10,5 (najczęściej pH= 11÷11,5):

MgCO₃ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓.

Dlatego koagulacja wapnem, daje dobre efekty usuwania zanieczyszczeń ze ścieków w procesie odnowy wody.

2) Wady i zalety koagulacji wapnem:

Zalety: to proces najbardziej uniwersalny; usuwa ze ścieków koloidów i trudno opadające zawiesin; usuwa fosforany oraz amoniak i metale ciężkie; usuwa znaczną część org. zw. rozpuszczonych; usuwa bakterie i wirusy; wapno nie zwiększa zasolenia ścieków.

Wady: po koagulacji wapnem jest duże pH i trzeba neutralizować; gdy koagulację prowadzimy dużymi dawkami wapna to duża jest zas. F.

3) Cel rekarbonizacji - porównać jednostopniową z dwustopniową:

Rekarbonizcja- polega na dodaniu CO₂ do ścieków po koagulacji wapnem w celu obniżenia pH oraz powrotnego przekształcenia wodorotlenków do węglanów i wodorowęglanów. Podstawowym zadaniem rekarbonizacji oprócz obniżenia pH ścieków, jest doprowadzenie ich do równowagi weglanowo-wapniowej, w celu wyeliminowania wytrącania się węglanu wapniowego w urządzeniach taki jak (filtry, węgiel aktywny, jonity, membrany) oraz w rurociągach.

Rekarbonizacja ścieków po koagulacji wapnem może być procesem jedno lub dwustopniowym:

• rekarbonizacja jednostopniowa: CO₂ reaguje ze ściekami zawierającymi Ca(OH)₂: Ca(OH)₂ + 2CO₂ → Ca(HCO₃)₂ - powstający Ca(HCO₃)₂ jest zw. dobrze rozpuszczalnym w wodzie i stanowi główny składnik zasadowości.

• rekarbonizacja dwustopniowa:

1° Ca(OH)₂ + 2CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O - powstający CaCO₃ jest zw. praktycznie nierozpuszczalnym

w wodzie, etap ten powinien zakończyć się po obniżeniu pH ścieków do 9,3÷9,5, przy której występuje

najmniejsza rozpuszczalność powstałego CaCO₃.

2° CaCO₃↓ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂ - po oddzieleniu osadu CaCO₃ zmniejsza się pH ścieków do

wartości równowagi węglanowo-wapniowej (pH= 7,5).

Urządzenia do rekarbonizacji:

• rekarbonizację prowadzi się w komorach o pionowym i poziomym przepływie ścieków, gdzie czynnik rekarbonizacyjny rozprowadza się poziomo lub pionowo;

• w zbiornikach zamkniętych;

• stawach rekarbonizacyjny.

Urządzenia do rekarbonizacji powinny zapewnić właściwy kontakt ścieków z doprowadzanym CO₂ oraz odpowiedni czas reakcji.

Parametry technologiczne rekarbonizacji:

• wymagany czas kompletnej rekarbonizacji wynosi 10÷15 minut, w zależności od temp.;

• w rekarbonizacji 2° czas saturacji wynosi 15 minut (zarówno w komorze po 1° jak i po 2°).

• w rekarbonizacji 1° czas przetrzymania w komorze reakcji wynosi 15 minut;

• ilość CO₂ potrzebną do reakrbonizacji można wyznaczyć stechiometrycznie;

• źródłem CO₂ są gazy z rekalcynacji osadów wapiennych lub ze spalania osadów organicznych;

• możliwe jest stosowanie ciekłego CO₂ i CO₂ ze spalania paliw (gaz, propan, butan, koks, olej opałowy);

• źródłem CO₂ jest również powietrze atmosferyczne (podczas napowietrzania ścieków alkalicznych obniża się pH w skutek absorpcji CO₂ zawartego w powietrzu);

4) Czym różni się demineralizacja od odsalania:

Proces demineralizacji- polega na usunięciu wszystkich kationów i anionów soli rozpuszczonych w wodzie. Odbywa się to za pomocą: destylacji, wymiany jonowej lub odwróconej osmozy. Dobór odpowiedniej metody zależy od ogólnej zawartości soli oraz zapotrzebowania w wodę. Najbardziej rozpowszechnionym i znanym sposobem demineralizacji wody w jest metoda odwróconej osmozy. Polega ona na podaniu pod wysokim ciśnieniem wody wstępnie uzdatnionej na półprzepuszczalną membranę, której zadaniem jest oddzielenie roztworów o różnych stężeniach. Cząsteczki czystej wody pod wpływem wysokiego ciśnienia przechodzą przez membranę, która tym samym zatrzymuje wszelkie zanieczyszczenia po stronie wody surowej. Zanieczyszczenia te ulegają koncentracji i są usuwane. Proces demineralizacji wody jest niemal procesem kosmetycznym. Proces demineralizacji polega na usuwaniu z wody wszystkich soli.

Proces odsalania- polega na zmniejszeniu stężenie substancji rozpuszczonych do określonego poziomu. Jest najdroższym z procesów odnowy wody i często decyduje o podjęciu inwestycji. Do odsalania można wykorzystywać: procesy membranowe; wymianę jonową; procesy destylacyjne - odparowanie wody i kondensacja, stosuje się wyparki próżniowe i ciśnieniowe. Destylacja jest procesem bardzo drogim, teoretycznie odsalanie może odbywać się przez wymrażanie. Proces odsalania polega na częściowym usuwania soli.

Procesy odsalania:

• jeśli zasolenie < 1000[g/m³] to stosuje się wymianę jonową (dekationizacja - deanionizacja);

• jeśli zasolenie > 1000[g/m³] to stosuje się: chemicz. metody strącania + wymiana jonowa; procesy membranowe; chemicz. procesy strącania + procesy membranowe; procesy membranowe + wymiana jonowa; chemicz. metody strącania + procesy membranowe + wymiana jonowa.

Jednostkowy koszt procesu odsalania wody zmniejsza się wraz z wydajnością instalacji.

5) Odpędzanie amoniaku:

Odpędzanie amoniaku stosuje się przed dekarbonizacją. Usuwanie azotu amonowego przez odpędzanie to jedna z metod fizykzcno-chemicznych stosowanych w procesie w odnowy wody. Polega na przeprowadzeniu azotu amonowego, który w ściekach występuje w postaci kationu amonowego w amoniak gazowy: NH₄⁺ + OH^- ↔ NH₃ + H₂O i usunięciu go do atmosfery. Odpędzanie amoniaku uzyskuje się przez dawkowanie wapna w postaci mleka wapiennego lub wody wapiennej. Wymagany odczyn, przy którym 100% azotu amonowego występuje w postaci amoniaku zależy od temp. ścieków, a wielkość dawki zależy od zasadowości ścieków. Amoniak usuwany jest ze ścieków do atmosfery, ten proces przebiega w wieżach. W wyniku wytworzenia dużej powierzchni kontaktu ścieków z otoczeniem amoniak przechodzi do powietrza. Na efektywność tego procesu wpływa napięcie powierzchniowe na granicy faz ścieki-powietrze ora różnica stężeń amoniaku w ściekach i w powietrzu - to siła napędowa tego procesu.

Wieże do odpędzania azotu amonowego: to wieże przeciwprądowe i poprzecznoprądowe.

Skuteczność odpędzania amoniaku zależy od: pH; temp. (im wyższa temp., tym mniejsze stężenie amoniaku); wysokości wieży (im wieża wyższa, tym efekt lepszy); ilości powietrza doprowadzonego do ukł.; czystości powietrza (powinno być pozbawione amoniaku); obciążenia hydraulicznego (im większe obciążenie hydrauliczne, tym gorsze efekty).

6) Procesy usuwania fosforanów i azotu:

Procesy usuwania azotu amonowego: odpędzanie powietrzem; wymianę jonową na klinoptylolicie; utlenianie chlorem i ozonem; procesy membranowe(OO, ED).

Procesy usuwania fosforanów: koagulacja wapnem lub solami Al; wymiana jonowa (anionit silnie zasadowy); filtracja na złożu wpracowanym Ca₃(PO₄)₂; procesy membranowe.

7) Procesy membranowe w odnowie wody:

Procesy membranowe- to procesy wysokociśnieniowe, są drogie w stosowaniu. Pozwalają na separację zanieczyszczeń na poziomie molekularnym lub jonowym. Techniki membranowe wykorzystują zjawisko selektywnego przenikania substancji zawartych w cieczy przez membranę filtracyjną. W zależności od zastosowanej membrany można otrzymać różny stopień usunięcia zanieczyszczeń.

Do procesów membranowych w odnowie wody zaliczamy:

• odwrócona osmoza (OO)- polega na rozdzielania substancji rozpuszczonych w wodzie o małej masie cząsteczkowej. Podstawą tego procesu jest zjawisko osmozy polegający na transporcie rozpuszczalnika przez warstwę membrany półprzepuszczalnej (przepuszczalnej dla rozpuszczalnika, a nieprzepuszczalną dla substancji rozpuszczonych). Jeżeli membrana oddziela roztwory o różnym ciśnieniu osmotycznym, to następuje osmotyczny przepływ rozpuszczalnika do roztworu o większym stężeniu aż do momentu, gdy różnica ciśnień po obu stronach membrany będzie równa ciśnieniu osmotycznemu, które jest charakterystyczne dla danego roztworu. Zwiększenie ciśnienia wewnętrznego powyżej wartości ciśnienia osmotycznego spowoduje wzrost potencjału chemicznego rozpuszczalnika w roztworze i jego przepływ w kierunku przeciwnym do kierunku wytyczonego osmozą (tzn. rozpuszczalnik będzie przepływał przez membranę z roztworu bardziej stężonego do rozcieńczonego). Zjawisko to nazywa się odwrotną osmozą. Do odwróconej osmozy najczęściej stosuje się membrany z poliamidów aromatycznych oraz z octanu celulozy. Membrany te są zdolne do zatrzymywania substancji rozpuszczonej o średnicy mniejszej od 10^-10[m].

• nanofiltracja (NF)- to niskociśnieniowa odwrócona osmoza, gdzie stosowane ciśnienia jako siła napędowa zwykle nie przekracza 0,7[MPa] (0,5÷2[MPa]). Membrany nanofiltracyjne zatrzymują składniki organiczne o masie większej od 200 (wielkości cząsteczek 1[nm]).

• ultrafiltracja (UF)- polega na zatrzymywaniu substancji niejonowych. Separacja polega na fizycznym odsiewaniu, a sprawność procesu zależy od porowatości membran i wielkości cząstek substancji rozpuszczonej. Metodą tą są separowane cząstki o średnicy 0,0001÷0,02 mikrometra lub masie cząsteczkowej od 1000 do 100000. Polisulfon jest jednym z najbardziej odpowiednich polimerów stosowanych do wytwarzania membran ultrafiltracyjnych. O selektywności membran sitowych decydują wielkość i rozkład wielkości porów w warstwie powierzchniowej porów.

• elektrodializa (ED)- siłą napędową w tym procesie jest różnica potencjału elektrycznego po obu stronach membrany, przez która transportowane są jony z roztworu o stężeniu mniejszym do roztworu o stężeniu większym. Stosowane membrany są wykonane z żywic kationowymiennych i anionowymiennych. Membrany kationowymienne (naładowane ujemnie) pozwalają na przejście kationów, zaś membrany anionowymienne (naładowane dodatnio) przepuszczają aniony. Membrany takie mogą być otrzymywane z przestrzenie usieciowanych polimerów z wbudowanymi grupami jonowymiennymi zdolnymi na dysocjacji. Membrany do elektrodializy są produkowane z hydrofobowych polimerów takich jak: polietylen, polistyren, polisulfon.

8) Porównać rekarbonizację jednostopniową z dwustopniową:

• rekarbonizacja jednostopniowa:

Zalety: prosty ukł., a zatem mniejsze koszty inwestycyjne. Wady: brak możliwości odsalania; brak możliwości odzysku reagentów, niebezpieczne zakwaszenie wody.

• rekarbonizacja dwustopniowa:

Zalety: odzysk chemikaliów i reagentów; zmniejszenie zasoleni; możliwość stosowania powietrz zamiast CO₂;

istniej możliwość dodatkowego usuwani fosforanów i metali ciężkich. Wady: wbudowany ukł. technologiczny i

związane z tym koszty inwestycyjne.

9) Istota odsalania:

Proces odsalania- polega na zmniejszeniu stężenie substancji rozpuszczonych do określonego poziomu. Jest najdroższy z procesów odnowy wody i często decyduje o podjęciu inwestycji. Do odsalania można wykorzystywać: procesy membranowe; wymianę jonową; procesy destylacyjne - odparowanie wody i kondensacja, stosuje się wyparki próżniowe i ciśnieniowe. Destylacja jest procesem bardzo drogim, teoretycznie odsalanie może odbywać się przez wymrażanie. Proces odsalania polega na częściowym usuwania soli.

Procesy odsalania:

• jeśli zasolenie < 1000[g/m³] to stosuje się wymianę jonową (dekationizacja - deanionizacja);

• jeśli zasolenie > 1000[g/m³] to stosuje się: chemicz. metody strącania + wymiana jonowa; procesy membranowe; chemicz. procesy strącania + procesy membranowe; procesy membranowe + wymiana jonowa; chemicz. metody strącania + procesy membranowe + wymiana jonowa.

Jednostkowy koszt procesu odsalania wody zmniejsza się wraz z wydajnością instalacji.

10) Jonity - właściwości i reakcje jakie na nich zachodzą:

Jonity- tzw. wymieniacze jonowe, są to ciała stałe nieorganiczne lub organiczne nierozpuszczalne w wodzie, które mają zdolność wymiany własnych jonów z jonami otaczającego je roztworu. Reakcja przebiega na powierzchni ziaren jonitu. Jonity zdolne do wymiany kationów nazywamy kationitami (mają charakter kw. lub ich soli), a jonity zdolne do wymiany anionów nazywamy anionitami (mają charakter zasadowy lub ich soli).

Właściwości jonitów:

• pęcznienie- jest spowodowane dyfuzją wody w głąb przestrzennej struktury jonitów. Jest ono tym większe, im więcej grup jonoczynnych zawiera jonit i wyższy jest stopień dysocjacji i hydratacji tych grup, niższa jest

wartościowość przeciw jonów i stopień ich hydratacji oraz mniejsze stężenie r-ru otaczającego jonit;

• selektywność- to wybiórcza wymiana jednego przeciwjonu w obecności innych przeciwjonów jest istotną cechą jonitu. Selektywność jonitu jest współzależna od odległości mikroporów jonitów i średnicy hydratyzowanych przeciwjonów;

• zdolność wymienna- jonitu wyraża ilość wymienianych przeciwjonów przez jednostkę objętości lub masy wymieniacza i jest cechą decydującą o przydatności jonitu. Zdolność wymienna jonitu zwiększa się wraz ze wzrostem liczby grup funkcyjnych, a maleje warz z usieciowaniem szkieletu jonitu. Wyróżnia się zdolność wymienną całkowitą i roboczą (użytkową).

11) Narysować i omówić układ do demineralizacji jonitowej:

Usuwanie kationów i anionów zapewnia ukł. technologiczny składający się z procesu dekationizacji (na kationitach)

i deanionizacji (na anionitach). Zastosowanie kationitów silnie kwaśnych (wodorowych) wymienia wszystkie przeciwjony na jony wodorowe. Usunięcie wszystkich anionów z wody uzyskuje się przy użyciu anionitów silnie zasadowych (wodorotlenowy). Ukł. ten to szeregowy ukł. jonitów do demineralizacji wody zawiera kationit wodorowy silnie kwaśny i anionit wodorotlenowy silnie zasadowy. Ukł. ten stosuje się bardzo rzadko, znajduje on zastosowanie jedynie przy oczyszczaniu bardzo małych ilości wody lub w wodach o małej tw. węglanowej.

Rys. Szeregowy ukł. jonitów do demineralizacji wody: 1- kationit wodorowy silnie kwaśny; 2 - anionit wodorotlenowy silnie zasadowy; 3- woda surowa; 4- woda zdemineralizowana.

12) Układy odnowy wody:

• Ukł. pełny dla dużych wymagać składu wody:

→B.O.→K. (CaO)→S.→O.A.→R.→S.W.→F.P.→A.→W.J.→O.→D.→do odbiorcy

• Ukł. prosty:

→B.O.→F. P.→ D.→do odbiorcy

W filtracji nastąpi usunięcie ze ścieków zawiesin, obniży się BZT₅ i ChZT. Stężenie BZT₅ i ChZT, zw. azotowych i fosforanów będzie zależało od sprawności biolog. oczyszcz., które może być mniej lub więcej rozbudowane.

• Ukł. z koagulacją solami hydrolizującymi (Al i Fe):

→B.O.→K. (Al i Fe)→S.W.→F.P.→D.→do odbiorcy

Podwyższenie oczyszczania w odnowie wody można uzyskać stosują proces koagulacji, który obniża OWO i ChZT 60÷70%, zawiesiny, fosforany i barwę wody oraz stężenie zw. powierzchniowo czynnych, metali ciężkich, bakterii i wirusów.

• Ukł. z koagulacją wapnem (CaO):

→B.O.→K. (CaO, pH= 11,3)→S.→R.→S.W.→F.P.→D.→do odbiorcy

Koagulacja wapnem przy wysokim odczynie usuwa bakterie do 95% i prawie całkowicie niszczy wirusy.

• Ukł. jeśli w procesie bilog. oczyszcz. nie został usunięty azot amonowy:

→B.O.→K. (CaO, pH= 11,3)→S.→O.A.→R. (pH= 8,3)→S.W.→F.P.→W.J. (NH₄⁺)→D.→do odbiorcy

Azot amonowy może być usuwany przez dopędzanie powietrzem po przejściu NH₄⁺ w NH₃^- przy pH= 11,3 przy dodatnich temp., a przy ujemnych temp. poprzez wymianę jonową na klinoptylolicie.

13) Wady i zalety rekarbonizacji:

• r. 1° jest prostsza w eksploatacji niż 2°, gdyż nie wymaga międzystopniowej sedymentacji;

• r. 2° obniża pH i zapewnia częściowe zmniejszenie zasolenia;

• wytrącający się w 1-wszym etapie CaCO₃ zwiększa efektywność usuwania fosforanów ze ścieków;

• r. 2° umożliwia znaczny odzysk wapna z osadów (wapno jest ponownie wykorzystywane do koagulacji ścieków);

• w r. 2° oddzielenie osadu CaCO₃ między stopniami, zmniejsza zużycia CO₂ prawie o 50%;

• gdy koagulacja jest małymi dawkami wapna to do obniżenia pH stosuje się r. 1°.

1

---