Politechnika Śląska w Gliwicach

Wydział Mechaniczno-Technologiczny

Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych

Zakład Sterowania Jakością i Czystszej Produkcji

ELABORAT pt :

CHEMICZNE METODY OCZYSZCZANIA CIECZY.

Przedmiot: Ekologia i zarządzanie środowiskiem

Prowadzący: dr inż. Zbigniew Płonka

Opracowała: Małgorzata Ratkowska

WT, semestr II, gr. 4

SPIS TREŚĆI.

WSTĘP:

Zanieczyszczeniem ekosystemu wodnego określa się stan, w którym skład wody jest na tyle zmieniony przez działalność człowieka, Ze używanie jej do celów bytowo- gospodarczych czy przemysłowych jest niemożliwe lub ograniczone. Może to być nadmierne stężenie związków organicznych lub mineralnych, podwyższona barwa, mętność, temperatura, a także stężenie chorobotwórczymi drobnoustrojami. W efekcie oddziaływania zanieczyszczeń na otoczenie ginie biocenoza bardziej wrażliwa, a na jej miejsce pojawiają się inne zespoły organizmów, przystosowane do zmienionego środowiska. W przypadku zatrucia mikroorganizmów, w odbiorniku mogą wystąpić sfery martwe.. zanieczyszczenia wód zakłócają zatem równowagę między czynnikami biotycznymi i abiotycznymi. Z drugiej strony organizmy wodne, wykorzystując do metabolizmu zanieczyszczenia, przyczyniają się do ich likwidacji i regeneracji naturalnych cech wody, czyli procesu somooczyszczania się odbiornika. Do najważniejszych procesów somooczyszczania zalicza się:

1. Utlenianie chemiczne zanieczyszczeń;

2. Biodegradację i mineralizację związków organicznych na drodze biochemicznej;

W procesach biochemicznych, decydujących o samooczyszczaniu się wód, najważniejsza jest mineralizacja i biokumulacja zanieczyszczeń. Mineralizacja to rozkład zanieczyszczeń organicznych i występuje w dwóch fazach- biodegradacja zanieczyszczeń organicznych i utlenianie zredukowanych form związków mineralnych jak NH₃, NO₂.

Do procesów biorących udział w somooczyszczaniu należy również obok biodegradacji, sedymentacji i rozcieńczania, adsorbcja. Polega ona na zatrzymaniu zanieczyszczeń chemicznych na granicy faz. Na powierzchni może powstać błonka biologiczna, w której zachodzi rozkład zanieczyszczeń. Szczególnie silne właściwości adsorpcyjne wykazują niektóre metale ciężkie.

Nasze środowisko jest poddane na działanie niekorzystnych procesów, które z jednej strony wytwarzają ludzie dla swoich potrzeb, a z drugiej strony ujemnie wpływają na równowagę środowiska naturalnego. Zarówno gleba, powietrze, wody są zanieczyszczone i dlatego podjęto z tym walkę. Wprowadzono wiele metod oczyszczania, wybudowano nowe urządzenia pomagające przywrócić „czystość”.

Ja w swoim referacie zajmę się cieczami ( wodą i ściekami), a przede wszystkim ich chemicznym oczyszczaniem.

Jak wiemy, woda dla ludzi i całego środowiska jest niezbędna, ale zanim nada się do użytku potrzeba jest przeprowadzić szereg zabiegów, dzięki którym będzie można z niej korzystać. Woda nie oczyszczona ze szkodliwymi składnikami, niekorzystnymi dla środowiska i człowieka tworzy ścieki, które również zostają poddane procesom oczyszczania. Tych procesów jest mnóstwo, a ja postaram się je przedstawić, skupiając się na procesach chemicznych, niezwykle ważnych w procesie oczyszczania wody i ścieków.

Jak już wcześniej pisałam, jest wiele sposobów oczyszczania. Zarówno jak i dla wody, a także ścieków wyróżnia się trzy podstawowe metody

• metody mechaniczne,

• metody biologiczne

• metody chemiczne

Pierwszym etapem oczyszczania jest zawsze oczyszczanie mechaniczne, czyli po prostu grube sita, które zatrzymują różne śmieci powrzucane do ścieków , czy wody. Usuwa się zanieczyszczenia nierozpuszczalne: większe ciała pływające za pomocą krat i sit, ciężkie zawiesiny ziarniste- w piaskownikach, tłuszcze i oleje- w odtłuszczaczach, drobne zawiesiny- w osadnikach. Drugi stopień to oczyszczanie biologiczne. Proces ten przebiega pod wpływem działania mikroorganizmów osadu czynnego w komorach napowietrzania lub rowach cyrkulacyjnych. Ostatnim procesem jest oczyszczanie chemiczne, ale to omówię dalej.

PROCESY OCZYSZCZANIA WODY:

Wody naturalne występujące w przyrodzie, służące do zaopatrzenia w wodę ludności, przemysłu i rolnictwa, charakteryzują się zmiennym składem fizyczno-chemicznym. Woda przeznaczona do picia i na potrzeby gospodarcze nie może zawierać substancji szkodliwych dla zdrowia lub wskazujących na jej zanieczyszczenie, a także składników wpływających ujemnie na jej smak, zapach i barwę albo też powodujących mętność wody.

Wody naturalne wykorzystywane do picia i na potrzeby gospodarcze czy przemysłowe muszą być przeważnie poddane procesowi oczyszczania. Rodzaj procesów jednostkowych w układzie oczyszczania zależy od rodzaju substancji, które muszą być usunięte z wody. Uzdatnianie wody to usuwanie z niej zanieczyszczeń ( zawiesin, substancji rozpuszczonych, koloidów, gazów, bakterii, itp. ) w celu otrzymania wody odpowiedniej jakości, w zależności od jej przeznaczenia.

Najczęściej usuwane z wód bądź niszczone są:

• zanieczyszczenia zawieszone i koloidalne powodujące mętność i barwę;

• substancje organiczne pochodzenia naturalnego bądź antropogenicznego, substancje powodujące smak i zapach wody;

• związki żelaza, manganu oraz metali ciężkich;

• gazy rozpuszczone: dwutlenek węgla, siarkowodór, metan i inne;

• pasożyty, bakterie, wirusy i niekiedy glony.

Do grupy procesów jednostkowych, charakterystycznych dla technologii oczyszczania wody do picia i na potrzeby gospodarcze należą:

• cedzenie

• sedymentacja

• filtracja

• koagulacja

• sorbcja na węglu aktywnym

• dezynfekcja

Oczyszczanie wody ( uzdatnianie) również przeprowadza się metodami mechanicznymi,( niektóre wymieniłam wyżej), ale wielkie znaczenie ma chemiczne oczyszczenie. Pierwszym etapem uzdatniania wody podziemnych jest usuwanie jonów żelaza i manganu przez napowietrzanie wody w celu utlenienia jonów tych metali i wytrącenie ich w postaci wodorotlenków oraz odfiltrowanie wytrąconych osadów. Drugim, często ostatnim etapem uzdatniania wody podziemnych przeznaczonych do picia i potrzeb gosp. jest dezynfekcja, czyli usunięcie z wody bakterii i innych mikroorganizmów. Przeprowadza się ją najczęściej działając na wodę gazowym chlorem. Innymi środkami dezynfekującymi są ; podchloryn (chloran(I))sodu, dwutlenek chloru, ozon , promieniowanie ultrafioletowe. Wody bardziej zanieczyszczone filtruje się przez złoże węgla aktywnego, co w dużym stopniu eliminuje zanieczyszczenia organiczne, w mniejszym inne, np. metale ciężkie.

Do fizyczno- chemicznych metod oczyszczania wody należą, jak już wyżej wspomniałam, koagulacja, zmiękczanie, demineralizacja, odżelazianie, usuwanie manganu, odbarwianie, dezynfekcja.

W procesach koagulacji wytrącane zostają z wody zanieczyszczenia koloidowe w postaci osadu czy kłaczków, które następnie można usunąć mechanicznie. Do koagulacji wody stosowane są sole żelazowe i glinowe, np.: siarczan glinowy, siarczan żelazowy, chlorek żelazowy. Inną metodą koagulacji, nie wymagającą odczynników, jest elektrokoagulacja. Zmiękczanie wody polega na całkowitym lub częściowym usunięciu z niej jonów powodujących jej twardość ( jony wapnia i magnezu).

Demineralizacja wody polega na usunięciu z niej wszystkich jonów. Praktycznie odmineralizowaną wodę można otrzymać przy użyciu jonitów.

Żelazo występujące w wodzie w postaci Fe(HCO₃)₂, FeSO₄ lub humusanów żelazowych. Wody żelaziste mają wiele ujemnych właściwości, jak nieprzyjemny smak i zapach, wytwarzanie szlamu i osadu w rurociągach i grzejnikach, sprzyjają rozwojowi glonów, pozostawiają plamy na tkaninach i inne. Odżelazianie można przeprowadzić wieloma metodami, z których najważniejsze to napowietrzanie, wapnowanie, koagulacja i filtrowanie, a także przepuszczanie przez kationity.

Mangan występuje w wodach naturalnych, lecz w większych ilościach jest szkodliwy dla zdrowia. Usuwa się go zwody, podobnie jak żelazo, przez hydrolizę i utlenianie manganu dwuwartościowego do rozpuszczalnego czterowartościowego (MnO₂). Mangan usuwa się z wody podobnie jak żelazo; można także go usuwać biologicznie, przy użyciu mikroorganizmów wprowadzonych do złoża filtracyjnego.

Po koagulacji wody przeznaczonej do picia trzeba często ją odbarwić, usunąć niemiły smak i zapach. Do odbarwienia stosuje się najczęściej węgiel aktywny, dodawany do wody w postaci proszku jako zawiesina lub filtr. Węgiel umożliwia usunięcie z wody takich groźnych zanieczyszczeń, jak pestycydy, związki rtęci, fenoli, detergenty i inne substancje. Nieprzyjemny zapach można likwidować przy użyciu ozonu. Ozon dzięki właściwościom utleniającym usuwa z wody substancje organiczne, nadając jej niemiły zapach, a także toksyczne, jak np.: cyjanki. Nieprzyjemnego zapachu można się także pozbyć przez napowietrzanie, stosowanie jako etap wstępny uzdatniania lub etap uzupełniający inne procesy. Dezynfekcja chemiczna likwiduje zagrożenia wynikające z nie usunięcia zanieczyszczeń w metodach fizycznych. Do najczęściej stosowanych metod chemicznych należą dezynfekcja chlorem i jego związkami, chlorowanie kombinowane (z nadmanganianem potasu) i ozonowanie wody.

Do innych metod oczyszczania chemicznego zalicza się;

• chlorowanie - metoda ta polega na wprowadzeniu do wody przy pomocy chloratora dawki chloru rzędu 2 do 6 mg/dm³ .Pozostały po utlenieniu substancji organicznych chlor wolny może być niewystarczający do celów dezynfekcji na końcówkach wewnętrznej instalacji wodociągowej. Z kolei zapobiegawcze zwiększenie dawki nie jest możliwe z uwagi na dopuszczalną koncentrację chloru w wodzie ze względów zdrowotnych i użytkowych. Chlorowanie wody , z uwagi na zmianę w czasie utleniające zużycie chloru, wymaga monitoringu, a także zatrudniania wykwalifikowanego i odpowiedzialnego personelu,

• Ozonowanie - stosowanie ozonu w uzdatnianiu wody wynika przede wszystkim z jego silnych właściwości utleniających, umożliwiających rozkład związków organicznych zawartych w wodzie. Ozon wchodzi w reakcje z substancjami organicznymi w dwojaki sposób, tj. przez bezpośrednie utlenianie substancji organicznych za pomocą cząsteczki O₃ lub pośrednie- za pomocą produktów rozpadu, z których najbardziej aktywny chemicznie jest rodnik hydroksylowy OH^-. Stosowanie ozonu w wodzie przyczynia się do usuwania żelaza i manganu, barwy, zapachu i posmaku, rozkładu syntetycznych substancji, usprawnienia procesów koagulacji, unieszkodliwienia alg, eliminacja produktów ubocznych powstających w trakcie dezynfekcji, zminimalizowanie szkodliwego oddziaływania na zdrowie i polepszenia biologicznego stabilności wody w sieci wodociągowej. Ogólną cechą tej metody jest nadanie wodzie stabilności chemicznej i biologicznej poprzez maksymalne obniżenie zawartości rozpuszczonego węgla organicznego, szczególnie biodegradowanego przy minimalnym zaangażowaniu chemii i maksymalnym wykorzystaniu procesów biologicznych, całkowite usunięcie występujących mikrozanieczyszczeń i obniżenie potencjału tworzenia się trójhalometanów. Ozonowanie wstępne eliminuje konieczność chlorowania do punktu przełamania, zmniejsza trudności spowodowane fitoplanktonem

Do oczyszczania chemicznego zalicza się również: odkażanie- działanie substancjami chemicznymi, zwanymi odkażalnikami (np. chloraminy, amoniak), które w reakcji ze środkami trującymi dają substancje mało- lub nietoksyczne, fluorowcowanie- wprowadzenie atomów fluorowca (F, Cl, Br, I).

Znane są metody chemiczne oparte na reakcjach przeprowadzania rozpuszczonych fosforanów w sole nierozpuszczalne ( za pomocą związków żelaza, glinu, wapnia)

CO ZE ŚCIEKAMI PRZEMYSŁOWYMI - OCZYSZCZANIE CHEMICZNE.

Ścieki przemysłowe bywają bardzo trujące dla wszystkiego, co żyje. Do oczyszczania ścieków, które zawierają agresywne chemikalia, trzeba używać innych, równie agresywnych substancji, aby tamte unieszkodliwić. Weźmy jako przykład ścieki z galwanizerni, zakładów, w których elektrolitycznie powleka się metal- zwykle żelazo- warstewką ochronną innego metalu. Ścieki zawierają wieli cyjanków. Dla kręgowców są to jedne z najgwałtowniejszych trucizn. Oczyszczanie polega na utlenianiu cyjanów chlorem alba podchlorynem sodowym, aż do dwutlenku węgla i wolnego azotu lub amoniaku. Proces ten przeprowadza się w środowisku bardzo zasadowym- optymalne jest pH 11.

Silnie alkaliczne ścieki, na przykład w przemyśle włókienniczym ścieki z „wykańczalni” tkanin bawełnianych, trzeba zobojętnić kwasem siarkowym. W tradycyjnych zakładach celulozowo- papierniczych, które używają chloru do bielenia, ścieki z „bielarni” mają pH 3,1 i zawierają dużo chloru. Do ich zobojętnienia używa się mleka wapiennego. Do innych kwaśnych ścieków dodaje się w niektórych przypadkach naturalne skały, jak dolomit albo wapień, w innych zaś otrzymane z podobnego wapienia wapno palone, czyli tlenek wapnia, lub wapno gaszone, czyli wodorotlenek wapnia.

Metale ciężkie- ołów, kadm, cynk , miedź- można wytrącać ze ścieków, to znaczy przeprowadzać je w związki trudno rozpuszczalne. Dodawania do ścieków węglanu sodowego albo skał z zawartością węglanu wapnia powoduje, że wytrącają się trudno rozpuszczalne węglany miedzi i ołowiu. W przypadku podobnych skażeń wielkie zalety ma metoda zamkniętego obiegu wody. Bywają przypadki, kiedy do takiego oczyszczania wody, aby można ją było wpuścić do rzeki czy jeziora, potrzeba na przykład aż pięciu kolejnych etapów kosztownego oczyszczania chemicznego.

Oczyszczanie chemiczne, tj. usuwanie azotu i fosforu.; stopień oczyszczenia nieznacznie wyższy niż podany- 92 do 95% ubytku BZT₅, ale redukcja związków biogennych przekracza również 90% w stosunku do zawartości w ściekach surowych.

SCHEMATY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW.

Ogólnie rzecz biorąc oczyszczanie chemiczne w porównaniu z innymi metodami oczyszczania, jest procesem procentowo niewielkim i daje się wyprzedzić metodom mechanicznym i biologicznym. Jest to przede wszystkim spowodowane tym, że oczyszczanie chemiczne jest kosztowne i potrzeba szereg substancji, które działają odtrująco na zanieczyszczoną wodę i ścieki. Poniżej zamieściłam schematy przedstawiające porównanie oczyszczania chemicznego do innych metod oczyszczania ścieków.

ZRÓDŁA:

1. J. Cebula, P. Górka, K Barbusiński, H Kościelniak, A Księżyc- Sikora : Wybrane zagadnienia ochrony środowiska. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000;

2. J. P. Kruczek: Wybrane zagadnienia z ochrony środowiska. Wydawnictwo uczelniane Akademii Techniczno- Rolniczej, Bydgoszcz 1999;

3. T.Umiński: Ekologia, środowisko, przyroda. Wydawnictwo szkolne i pedagogiczne, Warszawa 1996

4. Multimedialna nowa encyklopedia powszechna PWN,2000 wersja 1.0

5. J. R. Dojlido :Chemia wody, Arkady Warszawa 1987

6. Z. Karaczun, L. Indeka: Ochrona środowiska, Warszawa 1996

11 Gliwice, 12 marzec 2001

---