Úprava podzemních vodstrnadon/VODÁRENSTVÍ/PODZEMNÍ... · 2015-10-05 · Hmoty: mramor, magno, dolomit, fermago, semidol, dekarbolit, vápno, uhličitan nebo hydroxid sodný vhodné

1

Úprava podzemních vod

2

Způsoby úpravy podzemních vod

Neutralizace = odkyselování = stabilizace vody

odstranění CO2 a úprava vody

do vápenato-uhličitanové rovnováhy

Odstranění plynných složek z vody (Rn, H2S)

Odstranění Fe a Mn

Odstranění NH4 iontů

Odstraňování NO3 iontů

Odstraňování těžkých kovů a Be

Odstraňování specifických organických látek

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,

3. 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.

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 CO2.

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).

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.

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.).

8

Průměr částic v upravované vodě

Koagulace

10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 m

molekuly,

ionty hrubé

disperse

koloidy mikrodisperze

viry bakterie

Membránové procesy

100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 µm

Filtrace

Ultrafiltrace

Reversní osmosa

Nanofiltrace

Mikrofiltrace

Viry

Pesticidy,

organické látky Koloidy

Bakterie Ionty Písek

Plankton

Řasy, prvoci Huminové kyseliny

1000

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-3 iontů.

Cílem – dosažení pH kolem 7.

Neutralizace je nezbytná i z hygienických důvodů.

Agresivní voda rozpouští z potrubí olovo, měď a

zinek.

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).

12

Vápenato-uhličitanová rovnováha

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca2+ + 2 HCO3-

CaCO3 = Ca2+ + CO32-

TNV 75 7121

Hodnocení jakosti vody dopravované potrubím - výpočet

agresivních účinků (inkrustujících vlastností) vody

Tillmans (1912), Langelier (1936), Ryznar(1944)

teplota

13

TNV 75 7121

Ukazatel ocel, litina azbestocement,

beton

přesycení CaCO3 (mmol/l) 0,1 0,1

agresivní CO2 (mmol/l) 0,11 0,11

KNK4,5 (mmol/l) min. 0,8 -

Ca2+ (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

KNK4,5 (mmol/l) min 1,0

volný CO2 (mg/l) max. 44

Plasty

Pozink pH min. 7,5

KNK4,5 (mmol/l) min 1,5

volný CO2 (mg/l) max. 11

Ca2+ (mg/l) min 20

chloridy, sírany, dusičnany (mg/l) max 50

konduktivita (mS/m) max 60

14

Odkyselování vody – dva způsoby:

Mechanické - jedná se pouze o odstranění agresivního

CO2 provzdušňováním, při kterém nedochází ke

změnám koncentrace iontů Ca2+ a Mg2+.

Chemické - jsou doprovázeny změnou koncentrace

Ca2+, ev. Mg2+. 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

15


CaCO3 + CO2 + H2O = Ca2+ + 2 HCO3-

→←

Rovnováha mezi

CO2 — Ca2+ — CaCO3

agr.CO2 = celk. CO2 - rovn. CO2

přesycení CaCO3 = (Ca2+)0 – (Ca2+) r

16


Tillmans, Langelier (1912, 1936)

Disociace H2CO3 (do 1. a 2. stupně)

Součin rozpustnosti CaCO3

Iontový součin vody

Rovnice elektrochemické neutrality

(∑ ci * zi)kationtů = (∑ ci * zi)aniontů

Rovnice iontové síly roztoku

I = ½ (∑ ci * zi2)

t

e

p

l

o

t

a

17

Formy oxidu uhličitého ve vodě

Rovnováha H2CO3 ve vodě (CO2) – HCO3- – CO3

2-

H2CO3 ↔ HCO3- + H+

HCO3- ↔ CO32- + H+

]CO[H

]][HCO[HK

32

31

][HCO

]][CO[HK

3

2

32

K1 = 10-6,35

K2 = 10-10,5

Veškerý CO2 = [H2CO3] + [HCO3-] + [CO3

2-] = ∑ CO2

Volný CO2 CaCO3 + CO2 + H2O = Ca2+ + 2 HCO3-

18

Distribuční diagram uhličitanového systému

211

2

2

2

32

][][

][][32 KKHKH

H

CO

COHCOH

211

2

21

2

2

3

][][

][23 KKHKH

KK

CO

COCO

211

2

1

2

3

][][

][][

3 KKHKH

HK

CO

HCOHCO

2

][

CO

složka isložkyi

1][

1 2

n

i

i

CO

složka Formy CO2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 2 4 6 8 10 12 14

pHpom

ěrn

é d

istr

. koef.

δ

H2CO3

HCO3

CO3

6,35 10,33

8,3

19


Tillmans, Langelier (1912, 1936)

• Disociace H2CO3 (do 1. a 2. stupně)

• Součin rozpustnosti CaCO3

• Rovnice elektrochemické neutrality

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca2+ + 2 HCO3-

2 c (Ca2+) = c (HCO3- )

20

Tillmansova rovnovážná čára

H2CO3 ↔ HCO3- + H+

HCO3- ↔ CO3

2- + H+

CaCO3 ↔ CO32- + Ca2+

]CO[H

]][HCO[HK

32

31

][HCO

]][CO[HK

3

2

32

K1 = 10-6,35

K2 = 10-10,5

][CaCO

]][CO[CaKS

3

2

3

2

KS = 10-8,3

21


Rovnice elektrochemické neutrality

( ∑ ci * zi )kationtů = ( ∑ ci * zi )aniontů

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca2+ + 2 HCO3-

2 c (Ca2+) = c (HCO3- )

Pro všechny vody jediná rovnovážná čára

22


][

]][[

32

31

COH

HCOHK

][

]][[

3

2

32

HCO

COHK

]][[ 2

3

2 COCaKS

][][2 3

2 HCOCahydrogenuhličitany

ox

id u

hli

čitý Agresivní

vlastnosti

Tvorba úsad

sKK

Kk

1

2

2

[H2CO3] = k [HCO3-]3

y = k x3

[H2CO3] = [Ca2+] · [HCO3-]2

sKK

K

1

2

23

2 [Ca2+] = [HCO3-]

sKK

Kk

1

2

2[H2CO3] = k [HCO3-]3

[H2CO3] = [Ca2+] · [HCO3-]2 !!!

sKK

K

1

2

Reálný systém

Pro celkové složení vody rovnice elch. neutrality

2 [Ca2+] = [HCO3-] + a

kde a = ∑[A2-] + 0,5 ∑ [A-] - ∑[K2+] – 0,5 ∑ [K+]

Idealizovaný systém

0

2 5

0 3

hydrogenuhličitany

oxid

uhli

čit

ý

24

sKK

Kk

1

2

2[H2CO3] = k [HCO3

-]3

Reálný systém

[H2CO3] = k [HCO3-]3 + a · k [HCO3

-]2

0

25

0 3

hydrogenuhličitany

ox

id u

hli

čitý

0

2 5

0 3

hydrogenuhličitany

ox

id u

hli

čitý

a=0

a>0

a<0

25

Langelierův saturační index

Is = pH – pHs

pHs = log Ks/K2 – log c(Ca2+) – log c(HCO3-)

Chyba!!!!! aktuální koncentrace = rovnovážné

c(Ca2+); c(HCO3-)

Is ± 0,25 rovnovážný stav

Is < 0 agresivní vlastnosti

Is > 0 tvorba úsad ][

]][[

3

2

32

HCO

COHK

]][[ 2

3

2 COCaKS

26

Langelierův saturační index

pHs = log Ks/K2 – log c(Ca2+) – log c(HCO3-)

Odvození z:

Přesnější výpočet:

pHs = log Ks/K2 + 2,5 √I – log c(Ca2+) – log c(HCO3-)

I = 2,5 ·10-5 cRL

][

]][[

3

2

32

HCO

COHK

]][[ 2

3

2 COCaKS

27

Ryznarův index stability

RIs = 2 pHs - pH

RIs ~ 7

RIs < 6 výrazněji inkrustující vlastnosti

RIs > 8 výrazněji agresivní vlastnosti

Výpočet agresivního CO2 k vápenci – Lehmann-Reuss

A = G – U

G – z tabulky – odpovídá hodnotě S = V + uhličitanový CO2

V = volný CO2

uhličitanový CO2 = 22 · KNK4,5

28

Mechanické procesy odstraňování CO2

dc/dt = – k*A(c – cr)

hydrogenuhličitany

ox

id u

hli

čit

ý

29

Kaskády

30

Sprchové růžice

vstup výstup

míchání odkal

31

Stripovací věž, skrápěné kolony

32

Provzdušňovací zařízení

odvzdušnění

tryska

33

Chemické procesy odstraňování CO2

• 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

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca2+ + 2 HCO3-

MgCO3 + CO2 + H2O = Mg2+ + 2 HCO3-

MgO + 2 CO2 + H2O = Mg2+ + 2 HCO3-

Vzrůstá koncentrace hydrogenuhličitanů

z CO2 10 mg/l vznikne HCO3- 21,4mg/l

35

Filtrace přes mramor, PVD aj.

H2CO3 + CaCO3 = Ca(HCO3)2 1 mmol/l 2 mmol/l

y = - 0,5 · x + a

0

2 5

0 3

hydrogenuhličitany

ox

id u

hli

čitý

Chemické odkyselení – tuhá fáze

36

Chemické odkyselení – mokré dávkování vápna

2 H2CO3 + Ca(OH)2 = Ca(HCO3)2 + 2 H2O

1 mmol/l 1 mmol/l

y = - x + b

0

2 5

0 3

hydrogenuhličitany

ox

id u

hli

čitý

37


0

25

0 3

hydrogenyhličitany

oxid

uh

liči

tý

0

2 5

0 3

hydrogenyhličitany

ox

id u

hli

čitý

Evoluční čáry

(1) y = - 0,5 · x + a

(2) y = - x + b

(3) y = k · x (čáry pH)

][

]][[

32

31

COH

HCOHK

38


hydrogenuhličitany

ox

id u

hli

čit

ý

39

Neutralizace – Dekarbonace - Remineralizace

Neutralizace – provádí se v případech, kdy voda obsahuje vyšší

koncentrace CO2 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).

40

Dekarbonizace

• Cíl operace – snížení bikarbonátů ve vodě - Ca(HCO3)2,

Mg(HCO3)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 CaCO3 – 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.

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

42

Odželezování a odmanganování vody

Rychlost reakce závisí na :

koncentraci Fe, Mn,

hodnotě pH

formě výskytu Fe a Mn (humáty, HCO3-, Cl-, SO4

2-)

Metody

chemické

biochemické – Vyredox

nutná homogenita zvodnělého prostředí (kf)

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:

Fe2+ + 3 H2O - e = Fe(OH)3 + 3 H+

Mn2+ + 3 H2O - 2e = MnO(OH)2 + 4 H+

Následná separace, odstranění suspendovaných látek

sedimentací nebo filtrací

Výpočet plochy UN, výpočet počtu filtrů

45

Oxidační činidla

Vzdušný kyslík

Chlor

Oxid chloričitý

Ozon

Manganistan draselný

Peroxid vodíku (pro Fe2+)

46

Vzdušný kyslík

H8Fe(OH)4OH10OFe4 322

2

H4MnO(OH)2OH4OMn2 222

2

Železo se oxiduje poměrně velkou rychlostí, oxidace

manganu bez zvýšení hodnoty pH téměř neprobíhá.

Význam má i vazba Fe – hydrogenuhličitany - sírany

47

Chlor

Oxidace železa probíhá velmi rychle.

Přestože chlor je silnější oxidační činidlo než vzdušný

kyslík probíhá oxidace manganu pomalu, resp.

vyžaduje nereálné vysoké doby zdržení.

H6Cl2Fe(OH)2OH6ClFe2 322

2

H4Cl2MnO(OH)OH3ClMn 222

2

Někdy nutná dechlorace F 400

48

Oxid chloričitý

Oxidace železa probíhá velmi rychle.

Přestože chlor je silnější oxidační činidlo než vzdušný

kyslík probíhá oxidace manganu pomalu, resp.

vyžaduje nereálné vysoké doby zdržení.

H11ClFe(OH)5OH13ClOFe2 322

2

H12Cl2MnO(OH)5OH11ClO2Mn 5 222

2

49

Ozon

H4OFe(OH)2OH5OFe2 2323

2

H2MnO(OH)OH2OMn 223

2

50

Manganistan draselný

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.

H5MnO(OH)Fe(OH)3OH8MnOFe3 232

-

4

2

H4MnO(OH)5OH7MnO2Mn3 22

-

4

2

51

Spotřeba oxidačních činidel

. Oxidační činidlo spotřeba mg/mg Fe spotřeba mg/mg Mn

kyslík 0,14 0,26

ozon 0,43 0,87

Ozon (až na MnO4-) - 2,18

chlor 0,64 1,29

oxid chloričitý (ClO2) 1,21 2,46

manganistan draselný 0,94 1,92

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 75 5932

in-situ metody

Vyredox

54

In-situ odstraňování Fe a Mn

Úprava podzemních vodstrnadon/VODÁRENSTVÍ/PODZEMNÍ... · 2015-10-05 · Hmoty: mramor, magno, dolomit, fermago, semidol, dekarbolit, vápno, uhličitan nebo hydroxid sodný vhodné

Documents