1
KOMPLEKSOWA ANALIZA WODY
OCZYSZCZANIE WODY W PROCESIE FILTRACJI
BADANIE PROCESU SEDYMENTACJI ZANIECZYSZCZEŃ
WODY POPŁUCZNEJ
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest oznaczenie zanieczyszczeń wody wiślanej i zbadanie możliwości ich
usunięcia w procesie filtracji w doświadczalnym filtrze, a także przeprowadzenie płukania
złoża filtracyjnego i zbadanie procesu sedymentacji osadu pofiltracyjnego w wodzie
popłucznej.
2. Zakres tematyczny
Filtracja jako proces oczyszczania wód
Rodzaje filtrów i cykl filtracji
Oznaczenia normowe Chemicznego Zapotrzebowania Tlenu (ChZT), zawartości żelaza,
mętności i pH.
3. Podstawy teoretyczne
Przemysł rafineryjny i petrochemiczny wykorzystuje wodę pobieraną z ujęć
rzecznych, wykorzystywaną dla celów chłodniczych i kotłowych. Konieczność
racjonalnej gospodarki wodą zmusza do stosowania zamkniętych obiegów chłodniczych,
uzupełnianych tylko wodą świeżą w celu pokrycia strat i zmniejszenia ogólnego
zasolenia wody spowodowanego zagęszczeniem wody podczas jej parowania.
Woda przeznaczona do celów chłodniczych powinna mieć możliwie niską
temperaturę, powinna być niekorozyjna, nie powinna zawierać zawiesin organicznych i
nieorganicznych, olejów, związków żelaza i manganu, nadmiernej ilości substancji
rozpuszczonych, mikroorganizmów, substancji biogennych oraz związków organicznych.
Zawiesiny obecne w wodzie chłodzącej, odkładając się na chłodzonych powierzchniach,
utrudniają wymianę ciepła i przepływ wody. Obecność zwiększonych ilości związków
żelaza oraz substancji rozpuszczonych jest powodem wytrącania się ich trudno
rozpuszczalnych związków, co powoduje takie same skutki jak obecność zawiesin.
Ponadto żelazo może być powodem rozwoju bakterii żelazistych, a więc powstawania
obrostów biologicznych. Aby uniknąć masowego rozwoju mikroorganizmów, woda nie
powinna zawierać organizmów żywych oraz związków biogennych (fosforanów i
azotanów). Wśród substancji rozpuszczonych bardzo niebezpieczne są głównie siarczany
i chlorki, intensyfikujące korozyjny charakter wody w stosunku do metali. W
przypadku betonowych elementów układu chłodniczego, obecność nadmiernej ilości
siarczanów może być powodem niszczenia betonu. Problem dobrej jakości wody i
związana z tym potrzeba jej uzdatniania sprowadza się do otrzymania wody o takich
właściwościach, aby nie korodowała przewodów i urządzeń, nie dawała osadów na ich
powierzchniach, nie wywierała ujemnego wpływu na organizm ludzki lub na przebieg
procesów produkcyjnych i jakość wytwarzanego produktu. W związku z tym zachodzi
potrzeba „zaprojektowania jakości wody”, tj. ustalenia z góry, jakie powinny być jej
właściwości.
Procesy stosowane przy uzdatnianiu wody obejmują wstępne oczyszczanie
polegające na usuwaniu zawiesin z wody surowej przez osadzanie; oczyszczanie
właściwe polegające na usuwaniu z wody przez filtrowanie tych zawiesin, które nie
zostały usunięte podczas wstępnego oczyszczania (proces filtracji może być wspomagany
2
koagulacją); ulepszanie wody przez poprawę niektórych jej właściwości oraz
zabezpieczenie sanitarnych i technicznych wymagań dla wody.
Schemat blokowy uzdatniania wody wiślanej.
Filtracja jako proces oczyszczania wód
Filtrowanie to jeden z ważniejszych procesów w technologii oczyszczania wody i
ścieków. Jest to proces przepływu cieczy przez porowatą przegrodę zatrzymującą cząstki
zawiesiny. Podczas tego przepływu, zawiłymi drogami o nieregularnych kształtach i
zmiennych przekrojach, usuwane są cząstki o znacznie mniejszych wymiarach niż pory, co
dowodzi iż w zatrzymywaniu zanieczyszczeń w złożu filtracyjnym współuczestniczy wiele
zjawisk. Należą do nich przede wszystkim: cedzenie, sedymentacja, flokulacja, kohezja,
adhezja i dyfuzja, stanowiące o mechanizmie transportu cząstek do ziarn złoża, oraz adsorpcja
i oddziaływania elektrostatyczne, decydujące o mechanizmie przyciągania.
Najczęściej stosowanymi materiałami filtracyjnymi są: piasek kwarcowy, antracyt i
granulowany węgiel aktywny. Materiałami filtracyjnymi stosowanymi głównie w celu
odkwaszania wody są: grys marmurowy oraz częściowo prażony dolomit. Węgiel aktywny z
uwagi na dużą pojemność sorpcyjną spełnia równocześnie rolę materiału filtracyjnego i
sorbenta. W układach oczyszczania wód może on być stosowany jako warstwa w
wielowarstwowym złożu filtracyjnym oraz jako samodzielne złoże sorpcyjne.
Materiały filtracyjne spełniają swoje zadanie wówczas, gdy charakteryzują się
właściwym uziarnieniem (średnica d), porowatością (
ε), gęstością, wytrzymałością
mechaniczną (na kruszenie i ścieranie), oraz składem chemicznym. Bardzo istotnym
parametrem jest ich czystość, tzn. brak możliwości ługowania z nich zanieczyszczeń przez
przepływającą wodę.
Porowatość jest bardzo istotnym parametrem złóż filtracyjnych. Określa ona
pojemność złoża, w której zatrzymywane są cząstki fazy stałej podczas filtracji. Im większa
jest porowatość złoża, tym więcej cząstek stałych może być w nim zatrzymana i tym dłuższy
jest cykl filtracji. Porowatość określa się jako stosunek objętości międzyziarnowej złoża do
całkowitej objętości złoża.
Warunkiem uzyskania największej pojemności czynnej złoża filtracyjnego i jej
maksymalnego wykorzystania jest właściwy dobór uziarnienia złoża, jego wysokości,
prędkości i czasu filtracji. Parametry te ustala się w badaniach technologicznych procesu
filtracji.
Znaczne zwiększenie prędkości filtracji u oraz porowatości złoża
ε
, a co za tym idzie
zmniejszenie strat ciśnienia i wydłużenie czasu pracy filtrów, można uzyskać stosując złoża
dwu- lub trójwarstwowe. Każda warstwa składa się z ziarn innego materiału ułożonych od
góry do dołu według wzrastających gęstości.
Rodzaje filtrów
Filtry powolne nazywane są również filtrami biologicznymi, ponieważ podczas
filtracji przez złoże filtracyjne zachodzą zarówno procesy fizyczne, jak i biologiczne.
Wynikiem tych zjawisk jest duży stopień usuwania cząstek stałych, rozkład biochemiczny
3
zanieczyszczeń organicznych oraz transformacje niektórych zanieczyszczeń przebiegające
przy udziale mikroorganizmów.
Cechą filtrów powolnych jest mała prędkość filtracji wody, która najczęściej wynosi ok.
0,1m/h, a wyjątkowo przy skutecznym wstępnym oczyszczaniu wody może być większa od
0,3m/h. Procesami wstępnego oczyszczania może być sedymentacja lub filtracja pospieszna.
Wykluczone jest natomiast dawkowanie do wody przed filtrami powolnymi chemikaliów, co
mogłoby prowadzić do zniszczenia mikroorganizmów tworzących błonę biologiczną.
Stosowanie tak małych prędkości filtracji powoduje, iż cykle filtracji są długie i w zależności
od poziomu zanieczyszczenia wody mogą wynosić od 1 do 6 miesięcy. Przy tak długiej pracy
filtrów powolnych na powierzchni oraz wewnątrz złoża filtracyjnego rozwijają się bakterie,
tworzące na powierzchni złoża błonę biologiczną. Bakterie te 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 warstwie gleby.
Złoża filtrów powolnych nie są płukane, a czyszczenie ich polega na usuwaniu 20-40mm
powierzchniowej (górnej) warstwy piasku. Usunięty piasek oczyszczany jest w specjalnych
urządzeniach, a następnie może być ponownie wykorzystany do uzupełnienia złoża
filtracyjnego. Czyszczenie (przez zdejmowanie powierzchniowej warstewki) złoża bez
uzupełnienia wysokości może być powtarzane wiele razy, jednak nie można zmniejszyć
wysokości złoża do wartości mniejszej od 0,6 m. Inną, znacznie mniej skuteczną metodą
oczyszczania złoża jest płukanie wodą górnej warstwy złoża.
Filtry pospieszne stosowane są najczęściej do oczyszczania wody wstępnie
oczyszczonej metodami fizycznymi i chemicznymi, a przy ujmowaniu wody o małym
poziomie zanieczyszczenia - również do usuwania zanieczyszczeń z wody surowej. Filtry te
eksploatowane są w układach oczyszczania wody powierzchniowej i podziemnej. Złoże
filtrów stanowi ziarnisty materiał filtracyjny. Filtracja pospieszna może być stosowana do:
zatrzymania zawartych w wodzie zawiesin pochodzenia naturalnego bądź wytworzonych w
procesie koagulacji lub zmiękczania przez strącanie; usuwania z wody związków żelaza i
manganu; przyspieszania procesu koagulacji i zatrzymywania produktów koagulacji w tzw.
filtrach kontaktowych; sorbowania wielkocząsteczkowych związków zawartych w wodzie lub
równoczesnego sorbowania i filtrowania przy zastosowaniu filtrów z warstwą węgla
aktywnego; usuwania z wody związków żelaza i manganu w obecności znacznych ilości
azotu amonowego, tzw. filtry suche.
Zaletą filtrów pospiesznych w porównaniu z filtrami powolnymi jest duża wydajność, niższe
koszty inwestycji oraz łatwiejsze oczyszczanie przez płukanie. Do wad natomiast należy
zaliczyć konieczność lepszego wstępnego oczyszczania wody.
Z uwagi na rodzaj złóż filtracyjnych, filtry pospieszne dzieli się na filtry ze złożami jedno-i
wielowarstwowymi, zaś ze względu na prędkość filtracji wody:
na konwencjonalne filtry pospieszne (u = 5-25 m/h), nazywane w dalszej części filtrami
pospiesznymi, oraz superpospieszne (u > 25 m/h). Te ostatnie najczęściej stosowane są do
oczyszczania wód przemysłowych i wykorzystywane są wyłącznie jako filtry ciśnieniowe
zamknięte.
W filtrach pospiesznych woda przepływa w kierunku z góry w dół. Złoże filtrów
pospiesznych (materiał ziarnisty) ulega zanieczyszczeniu zatrzymywanymi zawiesinami i
dlatego złoża filtracyjne muszą być płukane. Częstotliwość płukania, określająca długość
cyklu filtracji, zależy od stężenia zawiesin w wodzie dopływającej na filtry oraz stosowanej
prędkości filtracji.
Proces filtracji może być poprzedzony procesem koagulacji, bez której nie można usunąć
związków powodujących barwę wody bądź zatrzymać drobnych zawiesin o dyspersji bliskiej
koloidalnej.
4
Otwarte grawitacyjne filtry pospieszne budowane są najczęściej jako zbiorniki
żelbetowe o przekroju prostokątnym. Schemat filtra pospiesznego otwartego przedstawiono
na rysunku.
Filtr pospieszny grawitacyjny otwarty
1 - koryto popłuczyn, 2 - warstwa wody, 3 - złoże filtracyjne, 4 - warstwa podtrzymująca, 5 – drenaż, 6 -
przestrzeń międzydenna 7 - regulator prędkości, rurociągi: 8 - woda oczyszczana, 9 - popłuczyny, 10 - powietrze
do płukania, 11 - woda do płukania, 12 - filtrat, 13- pierwszy filtrat
Filtracja w tym filtrze prowadzona jest ze stałą prędkością, którą uzyskuje się przez
zainstalowanie na rurociągu filtratu regulatora prędkości filtracji (7).
Filtracja może być również prowadzona przy stałym poziomie wody nad złożem filtracyjnym.
W tym wypadku na rurociągu filtratu instaluje się przepustnicę, która utrzymuje stały poziom
wody na filtrze. Schemat takiego filtru przedstawiono na rysunku.
Filtr pospieszny otwarty o stałym poziomie wody utrzymywanym za pomocą przepustnicy
Cykl filtracji
Cykl filtracji to czas pracy złoża filtracyjnego między kolejnym jego płukaniem.
Zależy on przede wszystkim od parametrów złoża (uziarnienia), prędkości filtracji i poziomu
zanieczyszczenia wody dopływającej na filtry. Przeciętną długość cyklu filtracji przyjmuje się
równą 24 godziny. W skrajnych wypadkach nie powinien on być krótszy od 8 godzin. Koniec
cyklu filtracji, to moment osiągnięcia dopuszczalnej straty ciśnienia lub pogorszenia się
jakości filtratu ponad wymagane wartości.
5
Istnieją inne zależności pozwalające określić długość cyklu filtracji, wszystkie jednak
wskazują, iż wartość ta wydłuża się wraz ze zwiększeniem wysokości warstwy złoża
filtracyjnego, zmniejszeniem prędkości filtracji oraz ilości zatrzymywanych w złożu
zanieczyszczeń.
Płukanie złóż filtracyjnych
Po
zakończeniu cyklu filtracji, aby zregenerować złoże filtracyjne, przeprowadza się
jego płukanie. Złoża filtrów mogą być płukane wodą lub wodą i powietrzem. Czynniki
płuczące podczas płukania przepływają od dołu do góry złoża filtracyjnego wynosząc
(wypłukując) zatrzymane w złożu zanieczyszczenia.
Efektywność płukania złoża filtracyjnego polega na usunięciu zawiesin z porów i z
powierzchni ziarna. Najskuteczniej oczyszcza się złoże wtedy, gdy ziarna złoża zostają
wprawione w ruch, który musi być na tyle silny, aby wywołał zjawisko wzajemnego tarcia
ziarna o ziarno. Siła działania wody płuczącej musi wprawić zanurzone w wodzie ziarna złoża
w ruch fluidalny i oderwać od nich zatrzymane cząsteczki, czyli musi być ona większa od sił
wiążących cząstki zawiesiny z ziarnami złoża i pozornej masy ziarn.
Przy
względnie małych prędkościach przepływu rośnie spadek ciśnienia wody
płuczącej, jednak bez unoszenia ziaren. Gdy prędkość przepływu będzie nadal rosła, spadek
ciśnienia stanie się równy ciężarowi złoża na jednostkę powierzchni przekroju. Przy dalszym,
nawet niewielkim wzroście prędkości następuje zmiana struktury złoża, które zwiększa swoją
porowatość i objętość, a woda przepływa bez dalszego spadku ciśnienia. Ziarna wykonują
niewielkie ruchy zderzając się ze sobą, ale struktura złoża jest nadal jednorodna. Dalszy
wzrost prędkości przepływu wody sprawia, że struktura złoża staje się niejednorodna, a ziarna
wykonują ruchy fluidalne. Gdy prędkość przepływu płuczącej wody jest równa prędkości
swobodnego opadania ziaren złoża, wówczas każde ziarno porusza się niezależnie i złoże
przestaje istnieć. Rozpoczyna się pionowy hydrauliczny transport złoża, do czego nie można
dopuścić. Siła oddziaływania płuczącej wody powinna nie tylko pokonać ciężar ziaren złoża
w wodzie, przez co zwiększa się porowatość złoża, ale również powinna pokonać siły
wiążące cząstki zawiesiny z powierzchnią ziaren. Im większa jest siła oddziaływania wody
płuczącej na ziarna w porównaniu z siłami adhezji, tym krótszy jest czas płukania
powodujący usunięcie wszystkich cząstek zanieczyszczeń znajdujących się w złożu.
Woda
popłuczna może być odprowadzana do instalacji ściekowej lub po usunięciu z
niej wymytego osadu ponownie wykorzystana. Zanieczyszczenia można usunąć w procesie
sedymentacji, kierując wodę popłuczną do odstojników lub osadników.
Proces sedymentacji polega na opadaniu rozproszonego ciała stałego pod wpływem
działaniem sił ciężkości.
Mechanizm procesu sedymentacji prowadzonej w sposób periodyczny w skali laboratoryjnej,
np. w cylindrach szklanych przedstawia rysunek. Jeżeli ziarna ciała stałego mają zbliżone
rozmiary, szybkość ich opadania jest niemal równa, można obserwować więc opadającą w dół
powierzchnię osadu, nad którą znajduje się klarowna ciecz. Szybkość opadania tej
powierzchni jest miarą szybkości sedymentacji. Gdy w zawiesinie występują ziarna ciała
stałego różnych rozmiarów, wtedy nie można zaobserwować powierzchni osadu, gdyż ciecz
zawsze będzie mętna wskutek wolno opadających małych cząsteczek ciała stałego. Jeżeli
stężenie zawiesiny surowej nie było od razu zbyt wysokie, zauważymy, że osad opada na dno
tworząc „fazę gęstą” B. Wysokość tej fazy wzrasta w miarę opadania na nią ziarn z „fazy
rzadkiej” A. Wreszcie zostaje osiągnięty stan krytyczny K wówczas, gdy występuje tylko
„faza gęsta” B. Okazuje się, że powierzchnia tej fazy też opada, czyli zagęszcza się, i zawarte
w niej ziarna opadają. Po nieskończenie długim czasie wysokość fazy B osiągnie wartość
graniczną, odpowiadającą najciaśniejszemu upakowaniu ziarn ciała stałego w danej cieczy.
6
Przebieg sedymentacji periodycznej
Badania doświadczalne szybkości sedymentacji pozwalają otrzymać krzywą typu
przedstawionego na rysunku. Okazuje się, że początkowo poziom osadu zmaleje
proporcjonalnie do czasu, czemu odpowiada linia prosta na wykresie. Opadanie początkowo
odbywa się ze stałą prędkością trwa to tak długo, aż zaniknie faza rzadka. Po zaniku tej fazy
szybkość opadania fazy gęstej B maleje w miarę upływu czasu, czemu odpowiada linia
krzywa na tym wykresie. Im bardziej jest zatężona zawiesina surowa, tym wolniej odbywa się
opadanie.
Przyspieszenie procesu sedymentacji można osiągnąć przez zwiększenie średnicy cząstek
usuwanych zanieczyszczeń, co uzyskuje się stosując proces koagulacji poprzedzający proces
filtracji zarówno dla wód pobieranych z ujęć rzecznych jak i wód ściekowych.
4. Część doświadczalna
Doświadczalny filtr pośpieszny
Filtrację doświadczalną prowadzi się na złożu filtracyjnym, umieszczonym w kolumnie z
pleksiglasu o średnicy 50 mm i wysokości 2,2 m. Rury szklane lub z pleksiglasu o średnicy
nie mniejszej niż 50 mm są zgodnie z danymi literaturowymi modelami filtrów pospiesznych.
Stosowanie rur szklanych lub z pleksiglasu, w przeciwieństwie do innych wykonanych z
materiałów nieprzezroczystych, znacznie ułatwia obserwacje procesu filtracji i płukania złoża.
Złoże filtracyjne
Wypełnienie kolumny stanowi warstwa podtrzymująca i warstwa filtrująca (złoże filtracyjne).
Warstwa podtrzymująca
żwir, frakcja 10-20mm, wysokość: 20 cm,
żwir, frakcja 5-10mm, wysokość: 20 cm,
piasek, frakcja 3-5mm, wysokość: 20 cm,
piasek, frakcja 2-3mm, wysokość: 15 cm.
Warstwa filtrująca
piasek, frakcja 0,8-2mm, wysokość: 100 cm
7
Porowatość użytych żwirów i piasków przyjmuje wartości w granicach od 0,4 (dla frakcji 10-
20mm) do 0,35 (dla frakcji 0,8-2mm).
Model filtra doświadczalnego
Proces filtracji doświadczalnej
Do badań procesu filtracji doświadczalnej stosuje się wodę wiślaną.
W wodzie wiślanej oznacza się zawartość żelaza, Chemiczne Zapotrzebowanie Tlenu
(ChZT), mętność i pH.
Próbkę wody wiślanej w ilości 1 dm
3
sączy się na sączku z bibuły filtracyjnej o średniej
szybkości sączenia. Dla przesączu oznacza się zawartość żelaza, Chemiczne Zapotrzebowanie
Tlenu (ChZT), mętność i pH.
W procesie filtracji wodę wiślaną wprowadza się od góry filtra, utrzymując stały poziom nad
złożem filtracyjnym. W procesie płukania złoża filtracyjnego z góry kolumny odprowadza się
wodę popłuczną. Dolna część kolumny wyposażona jest w system zaworów, służących do
odprowadzania i regulowania ilości odprowadzanego filtratu oraz zaworów
doprowadzających powietrze i wodę płuczącą.
Dzięki odpowiedniej regulacji zaworów ustawia się prędkość filtracji w granicach 5-10m/h.
Po wstępnym ustaleniu prędkości do końca trwania procesu filtracji nie zmienia się
wybranych nastawów.
Próbki filtratu o objętości 1 dm
3
pobiera się co 0,5 godziny, przy czym pierwszą próbkę
pobiera się po odebraniu z kolumny wstępnej ilości filtratu wynoszącej około 1,5-2,0 dm
3
.
8
Objętość ta wynika z obliczeń wielkości wolnej przestrzeni między ziarnami złoża,
wypełnionej w momencie rozpoczynania procesu filtracji wodą używaną do płukania złoża (w
przypadku filtracji doświadczalnej jest to woda wodociągowa). Czas poboru próbek filtratu
(1dm
3
) mierzy się za pomocą stopera. Na tej podstawie oblicza się prędkość filtracji, ze
wzoru:
S
t
V
u
*
=
gdzie:
u – prędkość filtracji [m/h]
V – objętość przepływającej wody [m
3
],
S – powierzchnia przekroju pustej kolumny [m
2
] (S=0,0019625 m
2
),
t – czas przepływu wody [h].
Po uwzględnieniu powierzchni przekroju, dla objętości wody równej 1dm
3
, powyższy wzór
można uprościć:
t
u
3949
,
1834
=
, gdzie t – czas przepływu 1dm
3
wody wyrażony w sekundach.
Woda przepływa przez złoże filtracyjne drogami o nieregularnych kształtach i zmiennych
przekrojach. Określenie rzeczywistej prędkości przepływu i długości drogi takiego ruchu jest
niemożliwe. W praktyce przyjmuje się fikcyjną wartość prędkości filtracji u, obliczoną ze
stosunku objętości przepływającej wody w czasie do całkowitego przekroju pustej kolumny
filtracyjnej. W ten sam sposób wyznacza się prędkość wody płuczącej.
Dla próbek filtratu pobieranych co 0,5h oznacza się mętność.
Płukanie złoża filtracyjnego
Płukanie złoża filtracyjnego wykonuje się każdorazowo po zakończeniu filtracji wody
surowej. W fazie początkowej spulchnia się złoże strumieniem powietrza (30-60 s), następnie
odłącza się strumień powietrza i kontynuuje płukanie strumieniem wody płuczącej (woda
wodociągowa).
Prowadzenie badań w filtrze doświadczalnym z pleksiglasu pozwala na obserwację
zachowania ziarn w złożu podczas płukania.
Skuteczne płukanie złoża można osiągnąć wówczas, gdy ziarna złoża wprowadzone zostaną
w ruch. Ruch ten musi być wystarczająco silny, gdyż jego celem jest wywołanie zjawiska
wzajemnego tarcia ziarna o ziarno, w wyniku czego powinny zostać usunięte z ich
powierzchni cząstki zawiesiny. Przy małych prędkościach wody nie obserwuje się poruszenia
ziarn złoża. Zwiększanie prędkości powyżej takiej, przy której spadek ciśnienia w warstwie
złoża równa się ciężarowi złoża na jednostkę powierzchni przekroju złoża, zmienia strukturę
złoża, powoduje iż złoże zwiększa swoją porowatość. Ziarna złoża nie opierają się o siebie,
lecz wykonują ruchy w niewielkim obszarze zderzając się ze sobą. Struktura złoża pozostaje
nadal jednorodna, a granica pomiędzy wodą a złożem jest wyraźna. Dalszy wzrost prędkości
przepływu wody płuczącej powoduje niejednorodność struktury zawieszonego złoża.
Obserwuje się wyraźny wzrost drogi swobodnej ziarn między kolejnymi zderzeniami. W
złożu występują wyraźne obszary większego i mniejszego stężenia ziarn. Jest widoczne
intensywne mieszanie w całej objętości.
Po 5, 10 i 15 minutach płukania strumieniem wody pobiera się próbkę wody popłucznej w
ilości 1 dm
3
.
W każdej z próbek pobieranej wody popłucznej oznacza się zawartość żelaza, Chemiczne
Zapotrzebowanie Tlenu (ChZT), mętność i pH. Dla próbki pobieranej po 5 minutach
wykonuje się dodatkowo badania procesu sedymentacji wypłukanego osadu pofiltracyjnego,
oznaczając mętność wody popłucznej w funkcji czasu.
9
Oznaczenia
Żelazo ogólne
Oznaczenie wykonuje się zgodnie z normą: PN-73/C-04586 „Woda i ścieki. Badania
zawartości żelaza. Oznaczanie żelaza ogólnego i rozpuszczonego w zakresie 0,02-10 mg/dm
3
metodą kolorymetryczną z 1,10-fenantroliną lub 2,2’-dwupirydylem”, z użyciem
spektrofotometru Semco S/Ec.
Oznaczenie polega na redukcji żelaza zawartego w wodzie do żelaza dwuwartościowego za
pomocą hydroksyloaminy a następnie reakcji z 1,10-fenantroliną. Przy pH w granicach od 2,9
do 9,0 powstaje różowopomarańczowy związek o intensywności zabarwienia proporcjonalnej
do stężenia jonów Fe
2+
. Oznaczenie wykonuje się spektrofotometrycznie w zakresie pH od
2,9 do 3,5 ze względu na maksymalne zabarwienie roztworu.
Odczynniki
bufor octanowy (90 g trójwodnego octanu sodowego + 48 ml lodowatego kwasu octowego,
rozcieńczone do 200 ml);
chlorowodorek hydroksyloaminy cz.d.a (roztwór 20%);
1,10 fenantrolina cz.d.a (roztwór 0,5%);
sól Mohra (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
*6H
2
O cz.d.a;
kwas solny cz.d.a (roztwór 1+1);
kwas siarkowy cz.d.a;
roztwór wzorcowy żelaza (0,1 mg/ml).
Wykonanie oznaczenia
Etap wstępny oznaczenia obejmuje przygotowanie roztworu wzorcowego żelaza, skali
wzorców oraz krzywej wzorcowej w postaci zależności stężenia żelaza od wartości
absorbancji próbki.
Podstawowy roztwór wzorcowy żelaza przygotowuje się z soli Mohra (siarczanu żelazowo-
amonowego). W tym celu odważa się 0,7022g wysuszonego w temperaturze pokojowej do
stałej masy odczynnika i rozpuszcza w roztworze 20 ml stężonego kwasu siarkowego oraz 50
ml wody destylowanej. Mieszaninę przenosi się do kolby miarowej o pojemności 1 dm
3
, a
następnie dopełnia wodą destylowaną do kreski. Przygotowany w ten sposób roztwór stanowi
podstawę do wykonania krzywej wzorcowej. Krzywą wzorcową wykonuje się w zakresie
stężeń żelaza od 0 do 1 mg/dm
3
. W celu wyznaczenia krzywej wzorcowej wykonuje się kilka
próbek o różnej, ściśle określonej zawartości żelaza.
Oznaczenie zawartości żelaza w wodzie
Do zlewki o pojemności 150 ml odmierza się dokładnie 100ml badanej próbki wody.
Następnie do próbki wprowadza się 3 ml roztworu kwasu solnego (1+1), 2,5 ml roztworu
chlorowodorku hydroksyloaminy, 10 ml buforu octanowego i 2 ml roztworu 1,10-
fenantroliny. Po upływie 10 minut dokonuje się pomiarów absorbancji za pomocą fotometru
dla długości fali 510 nm, przy użyciu kuwet o grubości warstwy absorbującej wynoszącej
1cm. Otrzymane wyniki absorbancji przelicza się na stężenie w mg/dm
3
zgodnie z
zależnością:
C = ABS / a,
gdzie: C - stężenie, mg/dm
3
; ABS - absorbancja próbki; a - współczynnik kierunkowy prostej
dla krzywej wzorcowej
10
Chemiczne Zapotrzebowanie Tlenu (ChZT)
ChZT oznacza się metodą dwuchromianową według PN-74/C-04578. Metodę stosuje się
do badania wód i ścieków o wartości ChZT większej niż 10 mg O
2
/dm
3
.
Oznaczanie polega na określeniu liczby miligramów dwuchromianu potasowego w
przeliczeniu na O
2
użytego na utlenienie związków organicznych i niektórych
związków nieorganicznych obecnych w analizowanej wodzie lub ściekach. Utlenianie
przeprowadza się w środowisku kwasu siarkowego w obecności siarczanu srebrowego
jako katalizatora.
Odczynniki
dwuchromian potasowy 0,25 N cz.d.a.;
kwas siarkowy cz.d.a.;
kwas siarkowy z rozpuszczonym siarczanem srebrowym Ag
2
SO
4
;
siarczan ferroiny - wskaźnik;
siarczan rtęciowy cz.d.a.;
siarczan żelazawo-amonowy Fe(NH
4
)
2
.
(SO
4
)
2
.
6H
2
O 0,125 N.
Wykonanie oznaczenia
Do kolby kulistej odmierza się 20 ml próbki wody, dodaje 0,2 g siarczanu rtęciowego i
roztwór miesza się do rozpuszczenia się soli. Następnie odmierza się do kolby 10 ml
roztworu dwuchromianu potasowego (0,25 N), 40 ml kwasu siarkowego z
rozpuszczonym siarczanem srebrowym, umieszcza się 3-4 szklane perełki i natychmiast
kolbę łączy z chłodnicą zwrotną,. Następnie roztwór ogrzewa się do wrzenia i
utrzymuje go w tym stanie przez 10 minut. Po około 10 minutach od chwili
przerwania ogrzewania spłukuje się chłodnicę, wlewając przez jej górny wylot do kolby
około 50 ml wody destylowanej. Kolbę odłącza się od chłodnicy, chłodzi, dodaje się 2
krople siarczanu ferroiny, po czym roztwór w kolbie miareczkuje się mianowanym
roztworem siarczanu żelazawo-amonowego (0,125 N) do zmiany zabarwienia z
zielononiebieskiego na czerwonobrunatne. Równolegle w taki sam sposób wykonuje się
oznaczanie próbki kontrolnej zawierającej 20 ml wody destylowanej.
Obliczanie wyników
ChZT badanej próbki (X) w mg O
2
/ dm
3
oblicza się wg wzoru :
(
)
V
1000
8
N
V
V
X
s
w
×
×
×
−
=
gdzie : V
s
- objętość roztworu siarczanu żelazawo-amonowego zużytego do
miareczkowania badanej próbki, ml; V
w
- objętość roztworu siarczanu żelazawo-
amonowego zużytego do miareczkowania próbki kontrolnej (wody destylowanej), ml;
N - normalność roztworu siarczanu żelazawo-amonowego stosowanego do
miareczkowania; V - objętość próbki wody użytej do oznaczania, ml; 8 - współczynnik
przeliczeniowy wyniku na mg O
2
.
Mętność (stopień zmętnienia)
Pomiaru mętności dokonuje się mętnościomierzem laboratoryjnym firmy Hach model
2100AN przeznaczonym do pomiarów zmętnienia, zgodnie z międzynarodowymi normami
dotyczącymi pomiaru mętności. Zapewnia on bezpośredni odczyt zmętnienia w jednostkach
NTU (Nefelometrycznych Jednostkach Mętności) w zakresie 0-10000.
11
5. Wyniki badań i opracowanie wyników
Wyniki oznaczeń ChZT
Objętość roztworu siarczanu żelazawo-amonowego zużytego do miareczkowania próbki
kontrolnej (wody destylowanej), V
w
= ml;
Woda wiślana
objętość roztworu siarczanu żelazawo-amonowego zużytego do miareczkowania badanej
próbki, V
s
= ml;
objętość próbki wody użytej do oznaczania, V= ml;
Woda wiślana po sączeniu
objętość roztworu siarczanu żelazawo-amonowego zużytego do miareczkowania badanej
próbki, V
s
= ml;
objętość próbki wody użytej do oznaczania, V= ml;
Woda popłuczna
objętość roztworu siarczanu żelazawo-amonowego zużytego do miareczkowania badanej
próbki, V
s
= ml;
objętość próbki wody użytej do oznaczania, V= ml;
Wyniki oznaczeń żelaza
Woda wiślana
Absorbancja, A=
Woda wiślana po sączeniu
Absorbancja, A=
Woda popłuczna
Absorbancja, A=
12
Otrzymane wyniki oznaczeń (ChZT, zawartość żelaza, mętność i pH) dla wody wiślanej,
wody wiślanej po sączeniu, wody wiślanej po filtracji oraz wody popłucznej należy zestawić
w tabeli 1. Dodatkowo należy wykonać obliczenia prędkości filtracji i płukania (u).
Tabela 1. Test laboratoryjny procesu filtracji wody wiślanej i płukania złoża filtracyjnego.
Oznaczenie
Czas
filtracji
(płukania)
t
Prędkość
filtracji
(płukania)
u
Żelazo
ChZT
Mętność
pH
h
m/h
mg/dm
3
mgO
2
/dm
3
NTU
woda wiślana - -
woda po sączeniu
- -
Proces filtracji wody
Mętność
NTU
0
0,5
1,0
...
Płukanie złoża filtracyjnego
5 min.
10 min.
15 min.
Wyniki badań procesu sedymentacji osadu pofiltracyjnego (oznaczenia mętności w czasie
uzyskane dla próbek wody popłucznej), należy zestawić w tabeli 2.
Tabela 2. Sedymentacja osadu w wodzie popłucznej.
Czas
sedymentacji
t
Woda popłuczna
Mętność [NTU]
[min.] po
5
min.
płukania
po 10 min.
płukania
po 15 min.
płukania
0
1
2
...
Sporządzić wykres zmian mętności w funkcji czasu dla próbek wody popłucznej.
Omówienie wyników badań
1. Porównać czystość wody wiślanej po sączeniu z wodą wiślaną. Obliczyć stopień redukcji
zanieczyszczeń.
2. Ocenić skuteczność procesu fitracji w oczyszczaniu wody wiślanej.
3. Ocenić możliwość usuwania osadu pofiltracyjnego z wody popłucznej w procesie
sedymentacji.
13
LITERATURA
1. A.L.Kowal: „Odnowa wody. Podstawy teoretyczne procesów”, Oficyna Wydawnicza
Politechniki Wrocławskiej Wrocław 1997.
2. A.L. Kowal, M. Świderska-Bróż: „Oczyszczanie wody”, PWN Warszawa - Wrocław
1998.
3. J.Maćkiewicz: „Flokulacja w procesach koagulacji i filtracji wód”, PWN Warszawa
1987.
4. J.Kucharski, A.Moniuszko: „Oczyszczanie wód i ścieków przemysłowych metodą
koagulacji”, WNT Warszawa 1967.
5. B. Cywiński, „Oczyszczanie ścieków miejskich. Podstawy technologiczne i zasady
projektowania oczyszczalni ”,tom I, Arkady Warszawa 1972.
6. R.Gawroński, „Procesy oczyszczania cieczy”, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 1996.
7. A.L.Kowal, M.M.Sozański : „Podstawy doświadczalne systemów oczyszczania wód:
sedymentacja, koagulacja i filtracja”, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej
Wrocław 1977.
8. Prace niepublikowane Zakładu Podstaw Chemii.