Fysiokjemiske vannrensemetoder

Presentasjon om: "Fysiokjemiske vannrensemetoder"— Utskrift av presentasjonen:

1 Fysiokjemiske vannrensemetoder
TVM Vann og miljøteknikk Fysiokjemiske vannrensemetoder (uke 16: 19. april 2007) Foreleser: Prof. TorOve Leiknes TorOve Leiknes

2 desinfeksjon: fysisk og kjemisk betinget
Innhold: desinfeksjon: fysisk og kjemisk betinget partikler og partikkel fjerning - definisjoner - destabilisering av kolloider - koagulering / flokkulering utfelling av løseforbindelser adsorpsjonsprinsipp (aktivkull)

3 Desinfeksjon: § 1. Formål
       Denne forskriften har til formål å sikre forsyning av drikkevann i tilfredsstillende mengde og av tilfredsstillende kvalitet, herunder å sikre at drikkevannet ikke inneholder helseskadelig forurensning av noe slag og for øvrig er helsemessig betryggende. § 12. Krav til kvalitet        Drikkevann skal, når det leveres til mottakeren, jf. § 5, være hygienisk betryggende, klart og uten framtredende lukt, smak eller farge. Det skal ikke inneholde fysiske, kjemiske eller biologiske komponenter som kan medføre fare for helseskade i vanlig bruk. Hygienisk barriere:        Naturlig eller tillaget fysisk eller kjemisk hindring, herunder tiltak for å fjerne, uskadeliggjøre eller drepe bakterier, virus, parasitter mv., og/eller fortynne, nedbryte eller fjerne kjemiske eller fysiske stoffer til et nivå hvor de aktuelle stoffene ikke lenger representerer noen helsemessig risiko

4 Drikkevannsforskriftene:
Målgruppe for desinfeksjon: Merknader Tiltakstype Grenseverdi Enhet Parameter Nr. Tabell 2. Mikrobiologiske parametere Tabell 2.1. Vann levert abonnent eller forbruker B Antall/100 ml Koliforme bakterier 9 Ved verdier over 100 må årsaken undersøkes. C - Antall/ml Kimtall 22 ° C 8 A Intestinale enterokokker 7 E. coli 6 Dersom verdien overskrides, må vannverket undersøke vannforsyningen for å forsikre seg om at det ikke er noen potensiell helserisiko forbundet med tilstedeværelse av patogene mikroorganismer, for eksempel Cryptosporidium eller Norwalk-lignende virus. Clostridium perfringens (inkl. sporer) 5

5 Desinfeksjonsmetoder:
1. kjemiske - halogener - oksiderende stoffer - metaller - syrer/baser - overflatereagenter 2. fysiske - varme - UV-stråling 3. mekaniske - sedimentering - filtrering - adsorpsjon 4. stråling - gamma og røntgen penetrasjon av celleveggen og destruksjon av intern struktur angriper cellemembranen og endrer karakter angriper mikroorganismens enzym system

6 Desinfeksjonskinetikk:
Chick (1908); nøytralisering av mikrobiologisk aktivitet kan sammenlignes med en kjemisk reaksjon. En 1.ordens reaksjon. Forutsetter; en kultur media konstant temp., pH, vannkvalitet konstant desinfeksjons dose Chick’s lov: 2 1 1. Chick’s lov 2. Tar tid før effekten begynner 3. Lettest påvirket drepes først ln(N/No) 3 tid

7 Watson: destruksjon er en funksjon av desinfeksjonskonsentrasjon
desinfeksjons middel) Watson’s lov: n < 1, kontakttid t er viktigere en konsentrasjonen C n > 1, effektiviteten avtar med fortynning Kombineres Chick’s lov og Watson’s lov:

8 De mest vanlige desinfeksjonsmetodene:
KLORERING UV-BESTRÅLING OZONERING Fordeler: Effektiv Billig Kjent teknologi Effektiv også på nettet Ulemper: Danner klorerte org. forb. (THM) Kan gi lukt/smak Giftig stoff (HMS) Enkel drift Ingen kjemikalier Ingen virkning på Kostbar Ikke brukbar på store anlegg Oksiderer andre forb. (humus, Fe, Mn) Produseres på stedet Gir vannet frisk smak og tiltalende utseende Relativt kostbar Øker biol.vekst potensial

9 Klorering: Klor reaksjoner med vann: (dissosiasjon pH avhengig)
HOCl mere effektiv enn OCl- defineres som friklor vil reagere med andre stoffer

10 Utfordringer ved klorering:
Desinfeksjonsbiprodukter (DBP) – reaksjoner med organiske forbindelser som kan gi kreftfremkallende stoffer. Reaksjon med andre stoffer i vannet – gir behov for økt dose for desinfeksjon Forandre kjemisk karakteristikk av vannet For eksempel:

11 Kloraminer – ”brekkpunkt klorering”:
Reaksjoner - monokloarmin dikloramin nitrogentriklorid Formasjon av kloraminer er pH avhengig. Referert til som bundet klor Brekkpunkt-klorering Desinfeksjons effekten: HOCl > OCl- > NH2CL > NHCl2 > NCl3 (side 325)

12 UV-bestråling: Desinfiserende effekt mellom nm. Størst effekt ved 256nm Lavtrykkslampe: monokromatisk stråling kvartskvikksølv lamper bølgelengde; 253,7 nm høyintensitet Høytrykkslampe: polykromatisk stråling flere bølgelengder i strålingen noe lavere intensitet

13 UV-bestråling - virkemåte:
Fotokjemisk reaksjon: UV bølgelengden bryter strukturen i DNA molekylen forhindrer bakterienes formeringsevne Effektiviteten er en funksjon av stråleintensitet og oppholdstid der: D = dose i mWatt-sek/cm2 (ultrad) I = bestråling i mWatt-sek t = bestrålingstid i sek Generelle krav: - dimensjoneres for Qmax - dårligste råvannskvalitet - min ultrad - bør være siste trinn i vannbehandlingen - annet reserve desinfeksjonsanlegg nødvendig Angriper forbindelser

14 Partikler: Enhetsprosesser for partikkel fjerning

15 Hva er en partikkel? (definisjon)

16 Eksempler på partikler:

17 1. Suspenderte partikler:
settable sand silt clay precipitation (CaCO3) non settable algae living organisms Screens Grit chambers Sieving Sedimentation etc. Sieving Filtration Membranes etc.

18 2. Kolloide partikler: Kolloider er suspensjoner av leire, proteiner, karbohydrater farge / humus (NOM) osv. Partikkelstørrelsen varierer mellom nm Overflaten har vanligvis ladning (som oftest negativ) De er karakterisert ved at de er meget stabile i vannfasen og har en motstand til aggregere Eksempel på kolloider som er fanget mellom filtermediet i et sandfilter

19 Destabilisering av kolloide partikler:
Koagulering - flokkulering Koagulering  Bruk av kjemikalier til å destabilisere kolloide partikler Utfelling av løseforbindelser Flokkulering  Omrøring av vannet for å promotere kollisjoner og oppbygging av større aggregater Fnokk dannelse

20 Koagulering: Reduserer ladning ved tilsetting av koagulant
Adsorpsjon av ioner med motsatt ladning Rask utfelling ”drar med seg” kolloide partikler Typer: - Metall salter Syntetiske organiske polymerer En kombinasjon av begge

21 Koagulant: Aluminiumsulfat: Al2(SO4)3 .18H20 og aluminiumklorid: AlCl3.6H2O Jernsulfat: FeSO4 og jernklorid: FeCl3 Metallsaltene spaltes, men har lav løselighet i vann ved den rette pH (6,0-6,5), og derfor felles det ut metallhydroksyd som binder seg til partikler og får dem til å sedimentere. Eks.på reaksjon for aluminiumsulfat: Al2(SO4)318H2O + 6HCO3- = 2Al(OH)3  + 6CO2 + 18H2O+3SO42- Aluminiumhydroksydet feller ut ved pH over 6, binder seg til kolloider og småpartikler i vannet, og sedimenterer dersom for lite bikarbonat (alkalitet) er tilstede i vannet må dette tilsettes for at ikke pH skal bli for lav, for eksempel ved ekstra tilsetting av kalk Ca(OH)2 eller natriumkarbonat Na2CO3 for å få sterke fnokker kan det tilsettes små mengder polymer

22 Koagulant dose bestemmes av en ”jar test”:
En serie med vannprøver settes en beholder Prøvene kan innholde forskjellige konsentrasjoner, pH osv. Hver beholder tilsettes en koagulant dose (serien bestemmes avhengig av type koagulant osv) Test prosedyren gjennomføres Data analyse med hensyn til koaguleringseffekt målt Bestemmelse av optimal koaguleringsdose

23 Flokkulering: oppbygging av større aggregater
Konvensjonelle flokkuleringsbassenger Typiske dimensjonerende verdier: Chemical G-values (sek-1) Retention (min) Al Ca FeII Ca Al med polymer

24 Typiske oppbygging av anlegg for kjemisk rensing:
Tilsetting av kjemikalier Flokkulering Slamseparering Koagulering KOAGULERING FLOKKULERING SEDIMENTERING Positivt ladet koagulant (Al+, Fe3+) tilsettes Kolloider destabiliseres (løper sammen pga ladningsnøytralisering) Aggregater på 1-10 m For små til sedimenter. Det røres om i vannet De koagulerte aggregater kolliderer, fnokker oppbygges Dimensjoneringsparametre Oppholdstid (20-30 min) Omrøringsintensitet Oppdeling i kammer (> 2) Fnokkmengde Fnokkene synker tilbunns Synkehastighet avh. av fnokkstørrelse Dimensjoneres for overflatebelastning, v = Vannmengde, Q Overflateareal, A v = 0,6 – 1,2 m/h

25 Fe2+, Mn2+ - redusert form:
Kjemiskfelling: Fe2+, Mn redusert form: oksygen (luft) ozon kaliumpermanganat klordioksyd Oksydasjon: Jern fjerning: Mangan fjerning: oksyderes ikke like lett med oksygen mere pH avhengig for utfelling

26 Aktivkull mest brukt i vannbehandling
Adsorpsjon: Et overflate fenomen der noe hefter seg til overflaten på grunn av tiltrekkende krefter (fysisk eller kjemisk betinget) Aktivkull mest brukt i vannbehandling PAC: Powder activated carbon GAC: Granular activated carbon In Out GAC Sand 8 PAC (eksempler på anvendelse)

27 Activated carbon: Surface area ca. 600-1500 m2/g Pore radius:
pyrolysis Pore radius: 1 nm to 25 nm 99% of surface area is inside the pore structure PAC - powder, d < 0,1 mm GAC - granular, d = 0,42 - 2,38 mm Adsorpsjonsmekanismer: 1. Konveksjon fra bulk 2. Molekylær diffusjon (film diffusjon) 3. Pore diffusjon 4. Adsorpsjonshastighet 1 2 3 4 Dimensjoneres med adsorpsjons isotermer