2010/2011
2010/2011
Ćwiczenie 1.
Sedymentacja i koagulacja
Cel:
• Oczyszczanie wody czyli uzdatnianie i
usuwanie zanieczyszczenia zawieszonego
w wodzie (wpływ na mętność i barwę
wody)
• Oczyszczanie ścieków od zawiesiny
Metody usuwania stałej zawiesiny
• Sedymentacja
• Koagulacja
• Flokulacja
SEDYMENTACJA
• Sedymentacja -zjawisko zagęszczania
zawiesiny pod wpływem działania pola
grawitacyjnego Ziemi
• Konieczne zaistnienie zjawiska – różnica pomiędzy gęstością ciała
stałego i cieczy
• Prawo Stokesa –prędkość swobodnego opadania cząstki w cieczy
vo:
V
o
= d
2
g (ρ - ρc)
18 ηc
• Gdzie:
• Vo – szybkośc opadania , m/s
• g- przyspieszenie grawitacyjne 9,80665 m/s
2
• ρ- gęstość masy ziarna, kg/m
3
• ρc- gęstość cieczy, kg/m
3
• η- lepkość dynamiczna cieczy , kg/m s
• d –średnica cząstki, m
Urządzenia przemysłowe-osadniki
Urządzenia przemysłowe –osadniki –
oczyszczalnie ścieków
Koagulacja-usuwanie zawiesiny cząstek
koloidalnych
Budowa cząstki koloidalnej
1- jądro
2-warstwa ładująca (+)
3-warstwa adsorpcyjna (-)
4-warstwa dyfuzyjna (+ -)
Pomiędzy warstwa adsorpcyjną i warstwą dyfuzyjna powstaje
Pomiędzy warstwa adsorpcyjną i warstwą dyfuzyjna powstaje
różnica potencjału elektrokinetycznego tzw.
różnica potencjału elektrokinetycznego tzw. potencjał zeta
potencjał zeta
-
-
ζ
ζ
,
,
który świadczy o stopniu trwałości koloidu
który świadczy o stopniu trwałości koloidu
Potencjał elektrokinetyczny
zeta
Związki koloidalne
• Związki koloidalne charakteryzują się
stabilnością. Siłami stabilizującymi są
przeważnie siły elektrostatycznego
odpychania się cząstek koloidowych,
jednoimiennie naładowanych.
+
+
Szybkość procesu koagulacji
Szybkoś
ć
koagulac
ji
Stężenie
koagulantu
1
2
3
ξ ± 30
mV
ξ= 0 mV,
punkt
izoelektry
czny
Optymalna
dawka
Oznaczenia:
Oznaczenia:
1-próg koagulacji,
1-próg koagulacji,
2-koagulacja
2-koagulacja
powolna,
powolna,
3-koagulacja
3-koagulacja
szybka
szybka
ξ- potencjał
ξ- potencjał
elektrokinetyczny-
elektrokinetyczny-
potencjał zeta
potencjał zeta
Szybkość procesu koagulacji
• W punkcie izoelektrycznym -
potencjał zeta ζ = 0, występuje
koagulacja szybka
• Po zlikwidowaniu potencjału
rozpoczyna się proces szybkiego
łączenia cząstek w wyniku którego
powstaje widoczny osad w postaci
kłaczków (żel)
Proces koagulacji
stabilne koloidy niestabilne mikrokłaczki
aglomeraty
stan
ustalony
Destabilizacja
transport i aglomeracja
częściowa deaglomeracja
koagulant
Zasady teoretyczne procesu
• Koloidy są to substancje stałe,
rozdrobnione, których średnica cząstek
wynosi 10
-9
do 2•10
-7
m.
• Cząstki rozproszone < od 10
-9
m tworzą z
wodą roztwór właściwy i nie są
identyfikowalne metodami optycznymi
• Cząstki > 2.10
-7
m tworzą zawiesinę, która
jest dostrzegana gołym okiem.
• Związki koloidalne nadają wodom
naturalnym barwę i mętność i nie dają się
usunąć za pomocą metod mechanicznych
Koagulacja i jej przebieg
• I faza → dodatek koagulanta
→
destabilizacja
cząstek koloidalnych (kilka
sekund, intensywne mieszanie)
• II faza→
flokulacja
– dodatek flokulanta -
transport i zderzenia cząstek
zdestabilizowanych i powstanie
kłaczków→
sedymentacja
→ filtracja (1-24
godzin, powolne mieszanie)
Koagulanty
• Koagulant substancja o przeciwnym
ładunku do koloidu w oczyszczanym
roztworze
• działanie promieni BETA I GAMMA
• ogrzewanie
• działanie mechaniczne np. wytrząsanie
Koagulanty
• Koagulantami nazywamy związki chemiczne, które w
wodzie ulegają hydrolizie tworząc nierozpuszczalne
wodorotlenki i wolny kwas. Najczęściej stosujemy:
• Fe
2
(SO
4
)
3
– siarczan żelaza (III)
• Al
2
SO
4
)
3
x 18 H
2
O – siarczan glinowy
• NaAlO
2
– glinian sodowy
• FeCl
3
- chlorek żelaza (III)
• FeSO
4
. 7 H
2
O [Fe
2
SO
4
)
3
+ FeCl
3
] – chlorowany siarczan
żelazowy
• Ilość koagulantu powinna być
dawka optymalną
tj.
najmniejszą ilością koagulantu dająca najlepsze wyniki.
Działanie koagulantów
• Koagulanty w wodzie ulegają hydrolizie i powstający
wodorotlenek żelaza (III) ma działanie koagulujące:
Fe
2
(SO
4
)
3
+ 6 H
2
O ↔ 2Fe(OH)
3
+ H
2
SO
4
• Kwas H
2
SO
4
musi być usuwany z wody za pomocą np.
wodorowęglanu sodu NaHCO
3
.
H
+
+ HCO
3 -
→H
2
CO
3
→ H
2
O + CO
2
• W wodzie wzrasta stężenie wolnego CO
2
, co prowadzi do
agresywności kwasowęglowej wody . Usuwamy go z
wody za pomocą wapna - alkalizacja wody
:
2CO
2
agresywne + Ca(OH)
2
→ Ca (HCO
3
)
2
Flokulacja
Flokulacja - proces nagromadzania
koloidalnych cząsteczek przez dodatek
flokulantów, przyspieszających
sedymentację (osiadanie) cząstek
zawiesiny w wodzie
Flokulanty - pochodzenie
1. Flokulanty mineralne, których działanie polega
na adsorpcji lub neutralizacji ładunków ciał
będących w zawiesinie:
•
Krzemionka aktywowana
•
Aktywowane gliny, bentonity
2. Flokulanty organiczne- polimery rozpuszczalne
w wodzie posiadające ładunek dodatni, ujemny
lub zerowy
•
Skrobia kartoflana i kukurydziana
•
Alginaty otrzymywane z alg morskich
•
żelatyna, skrobia, pochodne celulozy
Flokulanty syntetyczne organiczne - Separan
•
Poliakrylamidy o charakterze niejonowym–
„mostkowanie” z cząsteczkami koloidalnymi poprzez
wiązania Van der Waalsa
CH
2
- CH - CH
2
- CH - CH
2
CO CO
NH
2
NH
2
Flokulanty organiczne - polielektrolity
•
związki jonowe (polielektrolity) -zobojętniają
ładunki elektryczne którymi obdarzone są cząstki
koloidalne i przyspieszają koagulację.Dodatek
koagulanta jest niewielki rzędu mg/dm
3
•
Flokulant anionowy będzie reagował z zawiesiną w
której cząsteczki zawieszone są elektrododatnie
(potencjał zeta dodatni): wodorotlenki metali, sole;
•
Flokulant kationowy będzie reagował z zawiesiną o
cząsteczkach elektroujemnych(potencjał zeta
ujemny): krzemiany, związki organiczne.
Mechanizm flokulacji
mechaniczn
y
elektrostatycz
ny
Osad
zawiesiny
Osad
zawiesiny
Ćwiczenie 2
Analiza granulometryczna
gleby
Gleba
–
naturalny
produkt
powierzchniowej warstwy Ziemi,
wytworzony ze zwietrzałej skały w
wyniku
współdziałania
wody
powietrza i żywych organizmów.
Gleba
Funkcje ekologiczne gleby:
1. Gleba jest naturalnym zbiornikiem
zasobów wodnych
2. Gleba stanowi ogniwo w procesie
odnawiania i uzdatniania wody
3. Gleba to miejsce usuwania i
unieszkodliwiania różnych związków
organicznych
Podstawowe składniki
gleby
• Dobrze wykształcona gleba zawiera:
•
części mineralne - 45 %
•
woda -
25 %
•
powietrze - 25 %
•
części organiczne- 5 %,
• ( próchnica glebowa czyli humus)
• Poszczególne gleby różnią się składem od podanego
optymalnego. Gleby torfowe zawierają w przeważającej części
materię organiczną i wodę w odróżnieniu od gleb piaszczystych.
• Ponadto nieodzownym elementem gleb są niezliczone ilości
mikroorganizmów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego
określane jako edafon.
Gleba
• Podstawą tworzenia gleby jest gruz skalny - regolit, na
którym rozwijają się porosty, glony i inne mikroorganizmy,
które są pionierami przy tworzeniu gleby
• Obumarłe organizmy i roślin stanowią substrat z którego
powstaje próchnica.
• Próchnica pod względem struktury należy do ciał
koloidalnych, do których należą także minerały ilaste, np.
kaolinit i montmorylonit.
• Minerały ilaste
Al
2
O
3
SiO
2
2H
2
O
kaolinit
Al
2
O
3
7SiO
2
H
2
O
montmorylonit
Znaczenie minerałów ilastych w
glebie czyli koloidów glebowych
• duża powierzchnia wewnętrzna i
zewnętrzna tzw. kompleksu
glebowego
• zdolność zatrzymywania wody i
składników nawozów, które się
doprowadza do gleby - zjawisko
sorpcji.
Sorpcja jonowymienna na
minerałach ilastych
• (minerał ilasty)─O-H + jony K
+
• (minerał ilasty)─O-K + jony H
+
Zagrożenia i formy degradacji
gleby
• Grunty zdewastowane - grunty, które
utraciły całkowicie wartość użytkową,
• Grunty zdegradowane - grunty,
których wartość użytkowa uległa
zmniejszeniu w wyniku pogorszenia się
warunków przyrodniczych lub na skutek
zanieczyszczenia środowiska.
• Degradacja gleb - obniżenie stopnia
bonitacji.
Formy degradacji gleby
• Chemiczne skażenie gleby
• nadmierne zakwaszenie
• wyjałowienie ze składników
pokarmowych i naruszenie równowagi
jonowej
• denudacja - zniszczenie profilu
glebowego
• erozja wodna i wietrzna
• zanieczyszczenia chemiczne gleb
• biologiczne zanieczyszczenie gleb
Chemiczne skażenia gleb
• Skażenia metalami ciężkimi
• Skażenie substancjami
ropopochodnymi
• Skażenie pestycydami i detergentami
• Zakwaszenie gleby
Grunty zdewastowane
ZGH Bolesław-
ZGH Bolesław-
hałda
hałda
odpadów
odpadów
poflotacyjnyc
poflotacyjnyc
h
h
42 ha
42 ha
Skutki zakwaszenia gleby
Skażenie metalami ciężkimi
• Dostępność metali ciężkich dla roślin zależy
od wielu czynników środowiska glebowego. O
mobilności i zawartości metali ciężkich
decyduje skład granulometryczny i pH gleb.
• W warunkach kwaśnego odczynu gleby rośliny
łatwo pobierają większość metali ciężkich.
Pobieranie metali ciężkich z gleb zmniejsza
się przy odczynie pH 6,5 - 7,5.
Zakwaszenie gleby
• Odczyn gleby jest jednym z najważniejszych
czynników decydujących o żyzności gleby.
• Optymalny odczyn pH 6,0 do 7,5. Poniżej pH
4,7 uzyskuje się bardzo niskie plony.
• O kwasowości gleby decyduje udział wapnia
w kompleksie sorpcyjnym. W miarę tracenia
wapnia - wymywanie i pobieranie przez
rośliny gleba zakwasza się.
+ H
+
+ Al
3+
=
+
2Ca
2+
C
C
a
a
C
C
a
a
H+
Al
3+
Zakwaszenie gleby-źródła
• Naturalne- rozkład materii
organicznej
• Antropogeniczne- nawozy
azotowe
• Antropogeniczne - kwaśne
deszcze powstające w wyniku
emisji związków siarki i tlenków
azotu
Skutki zakwaszenia gleby
• zniszczenie struktury gruzełkowej gleby i
otrzymywanie struktury szlamistej - zaburzenia
w procesie magazynowania wody
• wypłukiwanie jonów Ca
2+
• wymywanie jonów glinu do roztworu glebowego
• zanik życia biologicznego gleby
• spadek plonowania roślin
• pobieranie metali ciężkich przez rośliny i
włączanie ich w łańcuch pokarmowy człowieka
Łagodzenie skutków
zakwaszenia gleby
•wapnowanie
•dodatek humusu do gleby
•nawożenie organiczne /
nawozy naturalne na
kwaśne gleby
Ćwiczenie 3
Chemiczne właściwości wody
• Zasadowość wody
• Zasadowość wody to zdolność wody do zobojętniania kwasu. Próbkę
wody miareczkujemy za pomocą HCl do pH 4,5 wobec metyloranżu.
• Jest miarą obecności w wodzie węglanów i wodorowęglanów,
wodorotlenków wapnia i magnezu
•
np.Próbka wody + 2HCl = CaCl
2
+ H
2
O
• Kwasowość wody
• To zdolność wody do zobojętniania zasad. Próbkę wody miareczkujemy
za pomocą NaOH do pH 4,5 wobec metyloranżu (kwasowość
mineralna) oraz do pH 8,3 wobec fenyloftaleiny (kwasowość ogólna).
• Jest miarą obecności wolnego CO
2
, kwasów humusowych
(próchnica), a w wodach kopalnianych kwasu siarkowego,
pochodzącego z wietrzenia pirytu FeS
2
.
•
Np. Próbka wody + NaOH = Na
2
SO
4
+ H
2
O
Właściwości chemiczne wody - pH
wody
• Dysocjacja wody według reakcji:
H
2
O =
H
+
+ OH
-
• Iloczyn jonowy wody Kw
K
w
= [H
+
] [OH
-
] =1· 10
-14
, 25
o
C
[H+] = [OH-] = 10
-7
mol/dm
3
Właściwości chemiczne wody - pH
wody
pH = - log [H
+
]
pH> 7 roztwór alkaliczny, zasadowy
pH<7 roztwór kwaśny
pH=7 roztwór obojętny
Właściwości chemiczne wody -
pOH wody
pOH = -log[OH
-
]
pH + pOH = pKw = 14
pOH = 14 - pH
pH naturalnej wody
wody powierzchniowe pH 6.5 do 8
• wody podziemne 5.5 do 7.5
• kwaśne deszcze pH <5,6
• Jeziora zdegradowane przez kwaśne deszcze
<pH 4
Woda dołowa kopalniana
Iron Mountais, USA, pH 2,5
Łomniczanka, pow.Nowy Sącz, pH 7,2
Obliczanie pH kwasu
Dane:
Roztwór kwasu HCl o stężeniu
0,01 mol/dm
3
(0,01 M)
Oblicz:
pH
Rozwiązanie
• HCl(aq) → H
+
+ Cl
−
0,01 M
0,01 M
0,01 M
• pH = - log [H
+
] = −log (0.01) =
2
Obliczanie pH zasady
Dane:
Roztwór zasady NaOH o stężeniu
0,01 mol/dm
3
(0,01 M)
Oblicz: pH
Rozwiązanie
NaOH→ Na
+
+ OH
-
0,01
0,01
0,01
pOH = -log[OH] = - log0,01 = 2
pH = 14 - pOH = 14-2 =
12
Ćwiczenie 4
Oznaczanie twardości wody
• Twardość wody = tw. stała + tw. przemijająca
• Twardość wody jest spowodowana przez obecność
soli , najczęściej wapnia i magnezu
Twardość stała
Twardość.
przemijająca
Tw. wapniowa
CaCL
2
CaSiO
3
CaSO
4
Ca(HCO
3
)
2
Tw. magnezowa
MgCl
2
MgSO
4
MgSiO
3
Mg(HCO
3
)
2
Usuwanie twardości wody- czyli zmiękczania
wody
Metody :
• Podgrzewanie wody (wytrącają się
związki wapnia i magnezu)
• Użycie reagentów chemicznych,
takich jak wapno i soda, polifosforany
itp. prowadzi do chemicznego
strącania soli wapnia i magnezu.
• Wymiana jonowa na jonitach
• Odwrócona osmoza
Podgrzewanie wody
• Temperatura ok.100
o
C
• Ca(HCO
3
)
2
= ↓CaCO
3
+ CO
2
+ H
2
O
• Mg(HCO
3
)
2
= ↓Mg(OH)
2
+ 2CO
2
• Z wody strącają się trudno
rozpuszczalne związki wapnia i magnezu
– usuwamy tzw. twardość przemijającą
Usuwanie twardości wody – metody chemiczne
dodatek wodorotlenku wapnia lub sody
Ca(HCO
3
)
2woda
lub
Mg(HCO
3
)
2 woda
+
+ reagent - Ca(OH)
2
lub Na
2
CO
3
↓CaCO
3
+ ↓Mg(OH)
2
+ 2H
2
O
Usuwanie twardości wody
• Zmiękczanie fosforanami pozwala na
usunięcie twardości węglanowej i
niewęglanowej (stałej).
• Najlepsze efekty udaje użycie fosforanu
trójsodowego Na
3
PO
4
* 12H
2
O. Ponieważ
jest to metoda kosztowna, stosuje się ją
jako proces końcowy po wstępnym
zmiękczeniu metodą wapno-soda.
Usuwanie twardości wody – metody chemiczne
Ca(HCO
3
)
2
lub
Mg(HCO
3
)
2 lub
CaSO
4
lub MgSO
4 woda
+
dodatek strącający
Na
3
PO
4
↓Ca
3
(PO
4
)
2
+ ↓Mg
3
(PO
4
)
2
+ NaHCO
3
+ Na
2
SO
4
osad
woda
Urządzenia przemysłowe do zmiękczania wody
metodą chemiczną
• Opis schematu:
• 1 - główny rozdzielacz
wody,
• 2 - sytnik wapna,
• 3 - zbiornik
przygotowawczy
roztworu sody,
• 4 - ogrzewacz
kaskadowy,
• 5 - reaktor,
• 6 - filtr.
Ćwiczenie 5
Badanie wybranych parametrów jakości
kompostu
• Kompostowanie
jest
to
suma
procesów
mikrobiologicznych
zachodzących
w
warunkach
tlenowych i beztlenowych, prowadzonych przez
mikroorganizmy związane z tworzeniem
humusu
z
odpadów organicznych.
• Kompostowanie jest to proces mineralizacji materii
organicznej
i
synteza
próchnicy
–
humusu,
zawierającego zwiększone ilości minerałów azotu i
fosforu oraz biomasę mikroorganizmów.
Kompostowanie
Materia organiczna + O
2
+ N + P +
mikroorganizmy =
CO
2
+ energia cieplna + humus +
mikroorganizmy
Fazy kompostowania
• I faza – mezofilna - do 45
o
C, namnażanie mezofilnych
bakterii i grzybów, które utylizują jako pokarm łatwo
dostępną materię organiczną
• II faza – termofilna – od 50 do 80
o
C namnażanie
bakterii, promieniowców i grzybów
• III faza – schładzanie
• IV faza – dojrzewanie kompostu – resynteza kompostu,
organizmy mezofilne w dalszym ciągu prowadzą
degradację materii organicznej
Fazy kompostowania
• Temperaturowe fazy w procesie kompostowania są
odzwierciedleniem aktywności metabolicznej sukcesywnie
zmieniających się populacji mikroorganizmów w degradacji
coraz trudniej rozkładanej materii organicznej.
0
25
50
75
100 dni
oC
60
40
20
Kompostowanie – etapy reakcji
fizykochemicznych
:
• Rrozkład tlenowy związków: C,H,N,S,P i wydzielanie
produktów,np.CO
2
, H
2
O.
• Rozkład beztlenowy przebiega w sposób egzotermiczny z
wydzieleniem ciepła oraz CH
4
, CO
2
, NH
3
, H
2
S.
• Produktem kompostowania jest
kompost grzejny surowy
,
który poddaje się przeróbce:
przesiewaniu w celu oddzielenia zmineralizowanej substancji i
zanieczyszczeń szkło, plastik, metal
dojrzewanie w pryzmach
ok.30 dni – produkt kompost
suszony.
•
• Kompost z odpadów komunalnych ze względu na
zanieczyszczenia nie nadaje się do celów rolniczych lub
ogrodniczych, jedynie do rekultywacji terenów
zielonych.
Kategorie odpadów organicznych nadających
się do kompostowania
Odpad
organiczny
Przykłady
Rolniczy
Słoma, pozostałości z ogródków
Obornik i nawóz organiczny
Pozostałości z plantacji
Komunalny
Organiczna frakcja odpadów miejskich
Gałęzie i liście z pielęgnacji parków,trawa
Osady z oczyszczalni ścieków
Rzemieślniczy
Kwiaciarnie, piekarnie, żywienie zbiorowe
Z gospodarstw
domowych
Śmieci miejskie, fekalia
Przemysł spożywczy Przemysł mleczarski, przemysł rybny, ubojnie
przemysł cukrowniczy, gorzelnie, odpady
słodowe, rafinacja olejów, garbarnie, produkcja
pasz dla zwierząt
Kompostowanie
Kompostowanie stałych odpadów
komunalnych-urządzenia
• biostabilizator
- bębnowa komora
obrotowa, w której proces kompostowania
trwa 24 do 36 godz. przy pełnej
automatyzacji procesu - kontroluje się
następujące parametry: stężenie tlenu,
temperatura, wilgotność odpadów,
porowatość, odczyn pH. Obroty bębna
powodują wymieszanie i rozdrobnienie
większych kawałków odpadów. Pojemność do
100 m
3
• Kompostowanie w wieżach – 1000 m
3
pojemności
Zalety kompostowania
• znaczne zmniejszenie masy i objętości
odpadów ( z 1 Mg odpadów komunalnych
uzyskuje się od 0,35 do 0,50 Mg
kompostu, odpady bezużyteczne
stanowią około 0,35 Mg, metale żelazne -
0,05 Mg i straty procesu - około 0,05 Mg),
• ograniczenie powierzchni składowisk
• poprawa struktury gleby, wzrost plonów,
zmniejszenie zużycia nawozów
mineralnych,
• przywrócenie środowisku składników
glebotwórczych
Zalety kompostowania
• eliminacja zagrożeń sanitarnych
związanych z usuwaniem odpadów
• eliminacja uciążliwych odorów
wydzielających się przez łatwo
ułożone substancje organiczne,