Úprava podzemních vod

Transkript

1 Úprava podzemních vod 1

2 Způsoby úpravy podzemních vod Neutralizace = odkyselování = stabilizace vody odstranění CO 2 a úprava vody do vápenato-uhličitanové rovnováhy Odstranění plynných složek z vody (Rn, H 2 S) Odstranění Fe a Mn Odstranění NH 4 iontů Odstraňování NO iontů Odstraňování těžkých kovů a Be Odstraňování specifických organických látek 2

3 Složení a vlastnosti podzemních vod Podzemní vody většinou mineralizovanější než vody povrchové. Kolísání fyzikálně chemických parametrů je nevýznamné. Stálá teplota (s výjimkou vod infiltrovaných). Neobsahují kyslík nebo jen velmi malé množství, vyšší obsah oxidu uhličitého, někdy výskyt radonu. Koncentrace organických látek běžně velmi malá. Žádný nebo malý obsah organismů, jiný charakter než v povrchových vodách. Chemické složení závisí na horninovém prostředí, které je s podzemní vodou v kontaktu.

4 Geneze, jakost vod a ovlivňující procesy: 1. vyluhování minerálních a organických složek z půd, 2. rozpouštění částečně rozpustných hornin,. vylučování nerozpustných sraženin ze složek přítomných ve vodě, 4. adsorpce a desorpce již rozpuštěných složek na částicích půdy a hornin a výměna iontů, 5. aerobní a anaerobní odbourávání organických látek, 6. míchání vod různého původu, obvykle spojené s průběhem chemických reakcí (i smíšené vodní zdroje) Vzájemné ovlivňování fyzikálních procesů a chemických dějů. 4

5 Složení a vlastnosti povrchových vod Povrchové vody většinou nižší mineralizace než u podzemních vod. Kolísání fyzikálně chemických parametrů často značné (roční období, antropogenní činnost apod.). Proměnlivá teplota. Větší obsah kyslíku, s výjimkou velmi znečištěných vod, malý obsah oxidu uhličitého, různé zastoupení forem CO 2. Vyšší koncentrace organických látek, charakter závisí na původu vody. Větší počet mikroorganismů, biologické složení rozmanitější. Chemické složení prvky většinou v oxidované formě, kovy většinou v kalech a sedimentech (v hydratované formě). 5

6 Povrchové vody jako životní prostředí pro organismy bakterie, viry, řasy či vyšší organismy. Mikrobiologické a biologické osídlení a fyzikálně chemické složení vody. Organismy katarobní žijící v čistých vodách Organismy saprobní žijící ve vodách s různým stupněm znečištění: polysaprobní velmi znečištěné vody, mezosaprobní (α, β) čistší vody, oligosaprobní nejméně znečištěné vody. 6

7 Klasifikace technologických procesů Základní technologické procesy úpravy vody: čiření, sedimentace, sorpce, oxidace a desinfekce, aerace. Úprava vody a fázové pochody: jednofázové soustavy oxidace, desinfekce, dvoufázové soustavy čiření, sedimentace, filtrace, mechanické odkyselování apod.), třífázové soustavy odkyselovací filtrace přes odkyselovací hmoty, dechlorace zrněným aktivním uhlím apod.). 7

8 Průměr částic v upravované vodě Koagulace m molekuly, ionty koloidy mikrodisperze hrubé disperse viry bakterie 8

9 Membránové procesy Řasy, prvoci Huminové kyseliny Plankton Písek Koloidy Bakterie Viry Pesticidy, organické látky Ionty ,1 0,01 0,001 0,0001 µm Filtrace Mikrofiltrace Ultrafiltrace Nanofiltrace Reversní osmosa 9

10 Neutralizace - odkyselování vody- stabilizace Největší význam agresivní oxid uhličitý a kyslík, které se bezprostředně účastní koroze. Odkyselování úzce souvisí se zvýšením obsahu Ca, Mg a HCO - iontů. Cílem dosažení ph kolem 7. Neutralizace je nezbytná i z hygienických důvodů. Agresivní voda rozpouští z potrubí olovo, měď a zinek. 10

11 Neutralizace - odkyselování vody- stabilizace Neutralizace se provádí obvykle na konci technologické linky, při současném odželezování a odmanganování může být účelné zařazení i na začátku. Způsoby odkyselování: a) mechanické (provzdušňováním) b) chemické odkyselovacími hmotami (v tuhé fázi), alkalizačními prostředky (v kapalné fázi). 11

12 Vápenato-uhličitanová rovnováha CaCO + CO 2 + H 2 O = Ca HCO - CaCO = Ca 2+ + CO 2- TNV teplota Hodnocení jakosti vody dopravované potrubím - výpočet agresivních účinků (inkrustujících vlastností) vody Tillmans (1912), Langelier (196), Ryznar(1944) 12

13 Ukazatel TNV ocel, litina azbestocement, beton přesycení CaCO (mmol/l) 0,1 0,1 agresivní CO 2 (mmol/l) 0,11 0,11 KNK 4,5 (mmol/l) min. 0,8 - Ca 2+ (mmol/l) min. 0,5 min. 0,5 ph - min. 6,7 rozpuštěný kyslík (mg/l) min. 5,0 - Měď ph 6,5 až 9,5 KNK 4,5 (mmol/l) min 1,0 volný CO 2 (mg/l) max. 44 Plasty Pozink ph min. 7,5 KNK 4,5 (mmol/l) min 1,5 volný CO 2 (mg/l) max. 11 Ca2+ (mg/l) min 20 chloridy, sírany, dusičnany (mg/l) max 50 konduktivita (ms/m) max 60 1

14 Odkyselování vody dva způsoby: Mechanické - jedná se pouze o odstranění agresivního CO 2 provzdušňováním, při kterém nedochází ke změnám koncentrace iontů Ca 2+ a Mg 2+. Chemické - jsou doprovázeny změnou koncentrace Ca 2+, ev. Mg 2+. Jsou vhodné zejména pro vody s nízkou koncentrací těchto iontů. Při odkyselování vod současně probíhá odželezování a částečně i odmanganování vod. Alkalizace tvorba inkrustů, potrubí, čerpadla, provzdušňovací elementy provozní problémy 14

15 Vápenato-uhličitanová rovnováha Rovnováha mezi CaCO + CO 2 + H 2 O = Ca HCO - CO 2 Ca 2+ CaCO agr.co 2 = celk. CO 2 - rovn. CO 2 přesycení CaCO = (Ca 2+ ) 0 (Ca 2+ ) r 15

16 Vápenato-uhličitanová rovnováha Tillmans, Langelier (1912, 196) t e p l o t a Disociace H 2 CO (do 1. a 2. stupně) Součin rozpustnosti CaCO Iontový součin vody Rovnice elektrochemické neutrality ( c i * z i )kationtů = ( c i * z i )aniontů Rovnice iontové síly roztoku I = ½ ( c i * z i2 ) 16

17 Formy oxidu uhličitého ve vodě Rovnováha H 2 CO ve vodě (CO 2 ) HCO - CO 2- H 2 CO HCO - + H + K 1 [H ][HCO [H CO ] 2 ] K 1 = 10-6,5 HCO - CO 2- + H + K 2 2 [H ][CO [HCO ] ] K 2 = 10-10,5 Veškerý CO 2 = [H 2 CO ] + [HCO - ] + [CO 2 -] = CO 2 Volný CO 2 CaCO + CO 2 + H 2 O = Ca HCO - 17

18 poměrné distr. koef. δ Distribuční diagram uhličitanového systému [ složka] n i [ složka] i složky i 1 CO [ H CO ] [ H 2 2 H 2 CO 2 CO2 [ H ] K1[ H ] K K 1 2 [ HCO ] K [ H 1 HCO 2 CO2 [ H ] K1[ H ] K1K2 2 i1 2 ] ] CO 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 H2CO HCO CO Formy CO ph 8, [ CO ] K K CO 2 CO2 [ H ] K1[ H ] K K 1 2 6,5 10, 18

19 Vápenato-uhličitanová rovnováha Tillmans, Langelier (1912, 196) Disociace H 2 CO (do 1. a 2. stupně) Součin rozpustnosti CaCO Rovnice elektrochemické neutrality CaCO + CO 2 + H 2 O = Ca HCO - 2 c (Ca 2+ ) = c (HCO - ) 19

20 Tillmansova rovnovážná čára H 2 CO HCO - + H + K 1 [H ][HCO [H CO ] 2 ] K 1 = 10-6,5 HCO - CO 2- + H + K 2 2 [H ][CO [HCO ] ] K 2 = 10-10,5 CaCO CO 2- + Ca 2+ [Ca ][CO [CaCO ] 2 2 K S K S = 10-8, ] 20

21 Tillmansova rovnovážná čára Rovnice elektrochemické neutrality ( c i * z i ) kationtů = ( c i * z i ) aniontů CaCO + CO 2 + H 2 O = Ca HCO - 2 c (Ca 2+ ) = c (HCO - ) Pro všechny vody jediná rovnovážná čára 21

22 oxid uhličitý Tillmansova rovnovážná čára K K 1 [ H ][ HCO [ H CO ] [ H 2 ][ CO 2 2 [ HCO ] ] ] y = k x Agresivní vlastnosti K S [ Ca ][ CO 2 2 ] Tvorba úsad 2[ Ca ] [ HCO 2 K K 2 [H 2 CO ] = [Ca 2+ ] [HCO - ] 2 1 K s ] hydrogenuhličitany [H 2 CO ] = k [HCO - ] k K 2K 2 1 K s 22

23 oxid uhličitý Idealizovaný systém 25 2 [Ca 2+ ] = [HCO - ] K K 2 [H 2 CO ] = [Ca 2+ ] [HCO - ] 2!!! 1 K s [H 2 CO ] = k [HCO - ] k K 2K 2 1 K s 0 0 hydrogenuhličitany Reálný systém Pro celkové složení vody rovnice elch. neutrality 2 [Ca 2+ ] = [HCO - ] + a kde a = [A 2- ] + 0,5 [A - ] - [K 2+ ] 0,5 [K + ] 2

24 oxid uhličitý oxid uhličitý [H 2 CO ] = k [HCO - ] k K 2K 2 1 K s Reálný systém hydrogenuhličitany [H 2 CO ] = k [HCO - ] + a k [HCO - ] 2 25 a=0 a>0 a<0 0 0 hydrogenuhličitany 24

25 Is = ph phs Langelierův saturační index phs = log Ks/K2 log c(ca 2+ ) log c(hco - ) Chyba!!!!! Is ± 0,25 rovnovážný stav Is < 0 agresivní vlastnosti Is > 0 tvorba úsad aktuální koncentrace = rovnovážné c(ca 2+ ); c(hco - ) K [ H ][ CO 2 2 [ HCO ] ] K S [ Ca ][ CO ]

26 Langelierův saturační index phs = log Ks/K2 log c(ca 2+ ) log c(hco - ) Odvození z: K K S [ H ][ CO 2 2 [ HCO ] [ Ca ] ][ CO 2 2 ] Přesnější výpočet: phs = log Ks/K2 + 2,5 I log c(ca 2+ ) log c(hco - ) I = 2, c RL 26

27 RIs = 2 phs - ph RIs ~ 7 Ryznarův index stability RIs < 6 RIs > 8 výrazněji inkrustující vlastnosti výrazněji agresivní vlastnosti Výpočet agresivního CO 2 k vápenci Lehmann-Reuss A = G U G z tabulky odpovídá hodnotě S = V + uhličitanový CO 2 V = volný CO 2 uhličitanový CO 2 = 22 KNK 4,5 27

28 oxid uhličitý Mechanické procesy odstraňování CO 2 dc/dt = k*a(c c r ) hydrogenuhličitany 28

29 Kaskády 29

30 Sprchové růžice vstup výstup odkal míchání 0

31 Stripovací věž, skrápěné kolony 1

32 Provzdušňovací zařízení odvzdušnění tryska 2

33 Chemické procesy odstraňování CO 2 odkyselovacími hmotami (v tuhé fázi), alkalizačními prostředky (v kapalné fázi). Hmoty: mramor, magno, dolomit, fermago, semidol, dekarbolit, vápno, uhličitan nebo hydroxid sodný vhodné zejména u vod s nízkou koncentrací vápníku a hořčíku filtrační rychlosti 2 16 m/h

34 Filtrace přes odkyselovací hmoty CaCO + CO 2 + H 2 O = Ca HCO - MgCO + CO 2 + H 2 O = Mg HCO - MgO + 2 CO 2 + H 2 O = Mg HCO - Vzrůstá koncentrace hydrogenuhličitanů z CO 2 10 mg/l vznikne HCO - 21,4mg/l 4

35 Chemické odkyselení tuhá fáze oxid uhličitý Filtrace přes mramor, PVD aj. H 2 CO + CaCO = Ca(HCO ) 2 1 mmol/l 2 mmol/l 25 y = - 0,5 x + a 0 0 hydrogenuhličitany 5

36 Chemické odkyselení mokré dávkování vápna oxid uhličitý 2 H 2 CO + Ca(OH) 2 = Ca(HCO ) H 2 O 1 mmol/l 1 mmol/l 25 y = - x + b 0 0 hydrogenuhličitany 6

37 oxid uhličitý oxid uhličitý Vápenato-uhličitanová rovnováha Evoluční čáry (1) y = - 0,5 x + a 25 (2) y = - x + b () y = k x (čáry ph) 0 0 hydrogenyhličitany K 1 [ H ][ HCO [ H CO ] 2 ] hydrogenyhličitany 7

38 oxid uhličitý Vápenato-uhličitanová rovnováha hydrogenuhličitany 8

39 Neutralizace Dekarbonace - Remineralizace Neutralizace provádí se v případech, kdy voda obsahuje vyšší koncentrace CO 2 a je třeba neutralizací snížit její agresivitu. Dekarbonizace snížení obsahu hydrogenuhličitanů ve vodě snížení rizika tvorby inkrustů v síti a u konečného spotřebitele. Remineralizace zvýšení koncentrace vhodných minerálních látek ve vodě zlepšení její kvality a vlastností pro spotřebitele u vod málo mineralizovaných. Všechny tyto procesy zušlechťování vody. Operace, které nejsou nezbytně nutné, ale zlepšují jakost pitné vody jak pro konečného spotřebitele (chuť, tvrdost ), tak i pro provozovatele (snížení rizik v síti). 9

40 Dekarbonizace Cíl operace snížení bikarbonátů ve vodě - Ca(HCO ) 2, Mg(HCO ) 2. Zachování určité koncentrace bikarbonátů ve vodě nutná pro zajištění vápenato-uhličitanové rovnováhy. Ochranná vrstva v potrubí proti korozi. Způsob úpravy dávkování zásady (louh nebo vápno), která reaguje s bikarbonáty a vytváří sraženinu CaCO Mg(OH) 2 Jedná se o částečné odstraňování bikarbonátů, současně dochází k ochuzování vody o Ca a Mg, voda je změkčována. Dekarbonace se provádí v čiřičích nebo usazovacích nádržích. 40

41 Odželezování - odmanganování Oxidace na nerozpustné sloučeniny pomocí vzdušného kyslíku rozpuštěného ve vodě, chloru, manganistanu draselného nebo ozonu. filtrační materiály vykazující vysoké katalytické účinky při oxidaci železa a manganu (Birm, Greensand) in-situ metody 41

42 Odželezování a odmanganování vody Rychlost reakce závisí na : koncentraci Fe, Mn, hodnotě ph formě výskytu Fe a Mn (humáty, HCO -, Cl -, SO 4 2- ) Metody chemické biochemické Vyredox nutná homogenita zvodnělého prostředí (k f ) 42

43 Odželezování a odmanganování vody Železo ve vodě dvojmocné (v iontové formě) nebo trojmocné (sedimenty - hydroxid železa). Mangan se obvykle vyskytuje ve vodě spolu s železem. V procesu odželezování se převádí železo a mangan z rozpustné iontové formy na formu nerozpustnou. Používané metody: odželezování provzdušňováním, odželezování a odmanganování alkalizací (vápnem, uhličitanem sodným, výjimečně hydroxidem sodným), odželezování a odmanganování oxidačními činidly (chlor, manganistan draselný, ozon, oxid chloričitý, pro oxidaci iontů Fe i peroxid vodíku), kontaktní odželezování a odmanganování na písku preparovaném vyššími oxidy manganu (birm, greensand).

44 Reakční schéma: Fe 2+ + H 2 O - e = Fe(OH) + H + Mn 2+ + H 2 O - 2e = MnO(OH) H + Následná separace, odstranění suspendovaných látek sedimentací nebo filtrací Výpočet plochy UN, výpočet počtu filtrů 44

45 Oxidační činidla Vzdušný kyslík Chlor Oxid chloričitý Ozon Manganistan draselný Peroxid vodíku (pro Fe 2+ ) 45

46 Vzdušný kyslík 2 4 Fe O2 10 H2O 4 Fe(OH) 8 H 2 2 Mn O2 4 H2O 2 MnO(OH) 2 4 H Železo se oxiduje poměrně velkou rychlostí, oxidace manganu bez zvýšení hodnoty ph téměř neprobíhá. Význam má i vazba Fe hydrogenuhličitany - sírany 46

47 Chlor 2 2 Fe Cl 2 6 H2O 2 Fe(OH) 2 Cl 6 H 2 Mn Cl 2 H2O MnO(OH) 2 2 Cl 4 H Oxidace železa probíhá velmi rychle. Přestože chlor je silnější oxidační činidlo než vzdušný kyslík probíhá oxidace manganu pomalu, resp. vyžaduje nereálné vysoké doby zdržení. Někdy nutná dechlorace F

48 Oxid chloričitý 2 2 Fe ClO 2 1 H2O 5 Fe(OH) Cl 11H 2 5 Mn 2ClO 2 11H2O 5 MnO(OH) 2 2 Cl 12 H Oxidace železa probíhá velmi rychle. Přestože chlor je silnější oxidační činidlo než vzdušný kyslík probíhá oxidace manganu pomalu, resp. vyžaduje nereálné vysoké doby zdržení. 48

49 Ozon 2 2 Fe O 5 H2O 2 Fe(OH) O2 4 H 2 Mn O 2 H2O MnO(OH) 2 2 H 49

50 Manganistan draselný 2 - Fe MnO4 8 H2O Fe(OH) MnO(OH) 2 5 H 2 - Mn 2 MnO4 7 H2O 5 MnO(OH) 2 4 H Manganistan draselný je velmi silné oxidační činidlo. Rychlost oxidace pro železo a manganistan je srovnatelná. Vzhledem k ceně manganistanu se v případě přítomnosti Fe a Mn v podzemní vodě většinou provádí dvoustupňové odželezování a odmanganování. 50

51 Spotřeba oxidačních činidel. Oxidační činidlo spotřeba mg/mg Fe spotřeba mg/mg Mn kyslík 0,14 0,26 ozon 0,4 0,87 Ozon (až na MnO 4- ) - 2,18 chlor 0,64 1,29 oxid chloričitý (ClO 2 ) 1,21 2,46 manganistan draselný 0,94 1,92 51

52 Odželezování - odmanganování Odstranění železa a manganu vázaného v organických komplexech především v látkách huminového typu v povrchových vodách. Oxidace této formy železa a manganu je zpravidla neúčinná (ozon ano). železo a mangan se odstraňují společně s organickými látkami koagulací a separací suspenze na stejných zařízeních, která jsou používána pro úpravu povrchových vod (koagulace - sedimentace - filtrace). Laboratorní technologické zkoušky TNV

53 in-situ metody Vyredox

54 In-situ odstraňování Fe a Mn 54