kompleksowa analiza wody.pdf

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

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

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.

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.

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.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: