Voda

I.ÚVOD


Voda je boží dar.
Ponoríš sa do nej – zmýva z teba špinu.
Sadneš si k nej, pozeráš, na nič nemyslíš – omýva dušu!
Javdat Iľjasov: Zaklínač hadov


Vodné zdroje

Spotreba vody v domácnostiach, v priemysle a poľnohospodárstve je extrémne vysoká, zvlášť v bohatších, rozvinutejších krajinách. Napríklad už viac ako desať rokov činilo celkové množstvo vody odčerpané z riek, vodných nádrží a vodonosných vrstiev v podzemia v Anglicku a vo Walese 33,3 miliárd litrov, prepočítané činí 660 litrov na jedného obyvateľa. Domácnosti spotrebovali 22 percent celkového množstva a priemerná denná spotreba v domácnosti činí približne 150 litrov na obyvateľa, čo zhruba odpovedá dvom vaňovým kúpeľom.

Použitie vody

Voda odvedená alebo vyňatá z prirodzeného kolobehu tvorí tzv. abstrakčný dopyt, zatiaľ čo voda používaná k rekreačným účelom, v doprave a k likvidácii odpadov dopyt neabstrakčný. V priemyselných krajinách spotrebujú továrne a elektrárne ohromné množstvá vody. Odhaduje sa napríklad, že v USA je k výrobe jedného automobilu potreba približne 38 000 000 litrov vody, zatiaľ čo v Kanade je potreba približne 180 000 litrov vody na výrobu jednej tony novinového papiera. Vo Veľkej Británii potrebuje priemysel približne 76 percent dodávky vody. Najviac vody spotrebujú tepelné elektrárne, ktoré spaľujú palivo kvôli výrobe elektrickej energie. Tie spotrebujú približne 13,6 miliárd litrov vody denne.


Vodné elektrárne

Voda sa používa tiež vo vodných elektrárňach. Vodné elektrárne využívajú energiu padajúcej vody k pohonu turbín, ktoré poháňajú generátory. Elektrická energie z vodných elektrární predstavuje lacný zdroj energie v mnohých krajinách sveta. Napríklad v Kanade je 66 percent výroby energie kryté výrobou z vodných elektrární a v Nórsku je to dokonca 99 percent.

Zavlažovanie

V mnohých krajinách sa voda používa k zavlažovaniu v poľnohospodárstve. V južnej Kalifornii, kde je veľa zavlažovacích fariem, sa 85 percent dodávky vody využíva v poľnohospodárstve.

Význam a funkcia vody v biosfére
Znečisťovanie vôd

Voda je najrozšírenejšia látka na Zemi. Patrí k základným zložkám životného prostredia človeka a je aj podmienkou existencie života na našej planéte. Voda sa nachádza na Zemi v obmedzenom množstve, ktoré je priestorovo a časovo nerovnomerne rozložené. obeh vody v prírode je absolútny, t.j. voda nemôže nikdy jestvovať bez pohybu, nemôže stratiť schopnosť stále nových zmien.

Objektívne reálnou formou existencie pohybujúcej sa vody je priestor a čas.

Podľa výskytu rozlišujeme vodu:
§ zrážkovú
§ povrchovú
§ podpovrchovú.

Podpovrchová voda je súborne označenie pre pôdnu a podzemnú vodu. Z hľadiska čistoty sa sleduje len akosť zrážkových, povrchových a podzemných vôd.

Voda ako jeden z najbohatších zdrojov biosféry plní pre ľudskú spoločnosť mnohé funkcie. Človek ju v zásade využíva na:
· osobnú spotrebu (pitná, úžitková a minerálne voda),
· poľnohospodársku a priemyselnú výrobu (závlahová, prevádzková a výrobná voda),
· dopravu,
· výmenu tepla,
· premenu energetického potenciálu,
· rekreačné účely.

V sústave zdrojov biosféry má voda nezastupiteľné a nenahraditeľné miesto, ako to implicitne vyplýva zo vzťahových problémov určených celospoločenskými vlastnosťami (funkciami) vody v životnom prostredí. Sú to tieto funkcie:
§ biologické,
§ zdravotné a hygienické,
§ kultúrne, estetické a rekreačné,
§ chladiaceho média a nositeľa energetického potenciálu,
§ dopravné,
§ odpadového prostredia (recipientu).

Zhoršovanie čistoty vody na Zemi je dôsledkom antropogénneho tlaku na životné prostredie. Preto problém vody sa stal medzinárodný. Ľudstvo si uvedomuje, že jestvuje horná hranica antropogénneho zneistenia, ak sa nemá porušiť globálno-ekologická rovnováha so všetkými katastrofálnymi dôsledkami. Problém vody, najmä jej čistoty nerešpektuje štátne hranice a jeho riešenie vyžaduje zvládnuť nielen vodohospodárske hľadisko, ale aj ekologické, technicko-ekonomické a najmä sociálno-politické. Mnohé typy znečistenia vôd majú už regionálny až globálny charakter a môžu sa úspešne riešiť iba na základe spolupráce všetkých štátov sveta. Preto v štátnych, politických a medzinárodných dokumentoch sa čoraz častejšie objavujú state o vode a jej ochrane pred znečistením. Typickými príkladmi sú medzinárodné zmluvy o ochrane morí a oceánov pred znečistením, dohody o hraničných vodách a aj Európska vodná charta. Jej základné myšlienky sú:
I. Bez vody niet život. Voda je drahocenná a pre človeka ničím nenahraditeľná.
II. Zásoby dobrej vody nie sú nevyčerpateľné. Preto je stále naliehavejšou nevyhnutnosť tieto zásoby udržať, šetrne a hospodárne s nimi zaobchádzať.
III. Znečisťovanie vody spôsobuje škody ľuďom a všetkým ostatným organizmom.
IV.

Akosť vody musí zodpovedať požiadavkám zdravia ľudu a účelom využitia.
V. Použitá voda sa musí vrátiť do recipientov v takom stave, ktorý nepriaznivo neovplyvní jej ďalšie využitie na verejnú a súkromnú potrebu.
VI. Na udržanie zásob vody má veľký význam rastlinstvo, predovšetkým les.
VII. Zásoby vody treba udržať na súčasných stavoch.
VIII. Príslušné organizácie musia správne a plánovite riadiť hospodárenie s vodou, čo vyžaduje konštruktívnu vodohospodársku politiku.
IX. Ochrana vôd vyžaduje rozšírenie vedeckého výskumu, vyškolenie odborníkov a výchovu verejnosti.
X. Každý človek je povinný šetrne a hospodárne používať vodu pre dobro všetkých.
XI. Vodohospodárske plánovanie sa má riediť nie podľa politických a správnych hraníc, ale podľa prirodzených hraníc povodí.
XII. Voda nepozná štátne hranice. To vyžaduje medzinárodnú spoluprácu.

II. Fyzikálne a chemické vlastnosti vody

1. Štruktúra molekuly vody

Hoci je voda najrozšírenejšia a najdôležitejšia zlúčenina na Zemi, jej chemické zloženie bolo známe pomerne neskoro. Prvé správy o zložení vody je známe z konca 18. Storočia a Lavoisier ako prvý poznal, že voda je zlúčenina dvoch prvkov – vodíka a kyslíka. Správa o ťažkej vode sú známe až z 20. storočia.

Voda predstavuje chemickú zlúčeninu dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka. Vzhľadom k tomu, že prírodný vodík a kyslík sú zložené z viacerých izotopov, ani voda nie je zložená z ledného druhu molekúl. Existencia troch izotopov vodíka (ľahká vodík 1H, ťažký vodík 2H resp. D, trícium 3H resp. T) a šiestich izotopov kyslíka (14 O, 15 O, 16 O, 17 O, 18 O, 19 O) pripúšťa celkove 36 možností pri stavbe molekuly vody z ktorých 9 obsahuje stabilné nuklidy. Molekuly vody tvorené stabilnými nuklidmi sú obsiahnuté v prírodnej vode v týchto koncentráciách (mol.%):

1H 216O - 99,73%, 1HD16O - 0,03 %, D216O - 2,3.10-6%,
1H 217O -0,04 %, 1HD17O - 1,2.10-15%, D217O - 0,9.10-9%,
1H 218O - 0,20 %, 1HD18O - 5,7 .10-5 %, D218O - 4,4.10-9%.

Okrem molekúl 1H 216O sú vo vode vo väčšom množstve prítomné molekuly oxidu deutérneho 2H216O (D216O) tzv. ťažkej vody. Deutérium oxid sa chemickými vlastnosťami od H216O veľminelíši. Jeho reaktivita je vo všeobecnocti menšia, deje v ňom prebiehajú pomalšie, pdobne jako H216O reaguje s mnohými zôlúčeninami, napr. reakciou s príslušnými anhydridmi vzniká ťažká kyselina sírová D2SO4 a D3PO4. Mení sa rozpustnosť niektorých zlúčenín v ťažkej a ľahkej vode. V prírodných vodách sa obsah deutéria merateľne líši (0,0133 – 0,185 %), z čoho sa dá zistiť genéza vody.

V dôsledku rozdielnej hodnoty tlaku nasýtených pár D2O a H2O sú zrážkové vody obohatené ľahkými izotopmi H a O. V podpovrchových vodách rastie obsah D2O v hĺbkach. Voda sa skladá z 88,9 % hmotnostných kyslíka a 11,1 % hmotnostných vodíka. Elektrolýzou vody vznikajú 2 objemy vodíka a 1 objem kyslíka. Voda vzniká priamym zlučovaním vodíka a kyslíka:

2 H2 + O2 = 2 H2O

a tiež postupnou oxidáciou organických látok obsahujúcich vodík. Atómy vodíka a kyslíka sú viazané kovalentne, avšak netvoria priamkový útvar H-O-H, ale rovnoramenný trojuholník. Vrchol trojuholníka tvorí kyslík a ďalšie dva body tvoria vodíkové atómy.

Vrcholový uhol tohoto útvaru je 104o30´, vzdialenosť medzi kyslíkovým a vodíkovým atómom je 0,96.10-10m a vzdialenosť medzi vodíkovými atómami je 1,63.10-10 m.

Obrázok č. Stavba molekuly vody
a/ štruktúra elektrónového obalu molekuly,
b/ uhol medzi ramenami O a H,
c/ umiestnenie pólov náboja.

V molekule vody nastáva nahromadenie elektrónov na strane kyslíka, čiže táto časť je záporne nabitá, časť s vodíkovými atómami kladne nabitá. Takéto molekuly označujeme ako polárne molekuly. Molekula vody je silne polárna a má vlastnosti dipólu. V elektrickom poli sa molekuly vody orientujú určitým spôsobom, a to opačne nabitou časťou k elektricky nabitému telesu (elektróde, iónu). Polárne molekuly, ktoré majú zreteľne vyhranené elektrické póly, kladný a záporný, označujeme ako dipóly. Stupeň polárnosti molekúl charakterizujeme hodnotou dipólového momentu m a je to veličiny definovaná vzťahom:

m = q. l

kde l je vzdialenosť medzi pólmi dipólu (vzdialenosť medzi ťažiskom kladného a záporného náboja molekuly), je to vlastne dĺžka dipólu a udávame ju v metroch,
q náboj dipólu (t. náboj na jednom póle a vyjadruje ho v coulomboch).
Dipólový moment je veličina, ktorá má nielen určitú absolútnu hodnotu, ale aj smer a má vektorovú povahu. Dipólový moment molekuly vody má hodnotu 6,01.10-30 C.m.

Dipóly molekúl vody pôsobia vzájomne na seba, priťahujú sa svojimi opačne nabitými koncami a môžu vytvárať raťazcovité útvary premenlivej dĺžky a tvaru. Na tvorbu týchto reťazcov vplýva teplota, s jej zvyšovaním sa reťazce trhajú a v pare existujú iba jednotlivé molekuly.

Na tvorbu agregátov molekúl vody vplýva aj vodíková väzba. V molekule vody je spoločný elektrónový pár vnútri väzby posunutý smerom od jadra atómu vodíka. Jadro vodíka je takto do určitej miery obnažené, má prebytok kladného náboja, naopak, druhý atóm kyslíka má prebytok záporného náboja. Ak sa k sebe priblíži jedna molekula vody časťou, kde je viazaný vodík k druhej molekule časťou, kde je viazaný kyslík, nastane elektrostatické priťahovanie medzi obnaženým vodíkovým jadrom a záporne nabitým kyslíkom. Vodík sa takto stáva sprostredkovateľom väzby medzi molekulou, ku ktorej patrí a iónu, atómu, molekule, ku ktorej sa priblížil. Preto sú väzba vodíkového atómu k obom susedným atómom rozdielne, v jednom smere prevláda väzba kovalentná v druhom smere väzba elektrostatická. Takúto väzbu nazývame vodíkovú väzbu alebo vodíkový mostík a jej vznik môžeme znázorniť takto:







Voda je látka veľmi výhodná pre vznik vodíkovej väzby.

Okrem otvorených a rozvetvených reťazcov molekúl môžu sa tvoriť vodíkové väzby kruhové a priestorové a priestorové zhluky molekúl.

Röntgenografický výskum ľadu dokázal, že v takto vznikajúcich priestorových útvaroch je atóm kyslíka obklopený štyrmi vodíkovými atómami zo susedných molekúl vody, ktoré sú umiestnené vo vrcholoch pravidelného štvorstenu. Tieto základné štvorstenové zhluky sa potom spájajú do šeťštvorcovej mriežky ľadových kryštálov. V priestorovej mriežke tohto typu sú veľké prázdne priestory. To je príčinou menšej hustoty ľadu ako kvapalnej vody. Pri premene na kvapalnú vodu nastáva iné, úspornejšie priestorové usporiadanie jednotlivých molekúl vody a to je spojené so zmenou hustoty pri rôznych teplotách.

Na rozrušenie prípadne úplné zrušenie vodíkových väzieb (mostíkov) je potrebné dodať určité množstvo energie. Z toho vyplýva, prečo má voda tak vysoké hodnoty skupenských tepiel, teplotu topenia a varu. Obraz štruktúry kvapalnej vody je svojím rýchlym preskupovaním jednotlivých štruktúr spolu s nepretržitým pohybom molekúl neobyčajne zložitý a dynamický.


2. Zmena skupenstva vody


Zohrievaním vody stúpa jej teplota až do dosiahnutia teploty varu, keď sa voda mení na paru. Ďalším zohrievaním zostáva teplota stála, závisí len od atmosférického tlaku. Pre zmeny, ktorým podlieha vodná para, hlavne pokiaľ ide o závislosť medzi tlakom a objemom, hustotou a teplotou, platia rovnaké fyzikálne zákony ako pre plyny. Teplota varu vody je vzhľadom na pomerne melú relatívnu molekulovú hmotnosť vody veľmi vysoká (100 0C pri 101,325 kPa). Podobne je to i s teplotou topenia ľadu (0 0C pri 101,325 kPa). Je to spôsobené s tým, že na rozrušenie väzieb tvorených vodíkovými mostíkmi medzi molekulami v kvapalnej vode i ľade je potrebné značné množstvo energie. Tým sa vysvetľuje i pomerne vysoká hodnota špecifického skupenského tepla topenia (333,3 kJ.kg-1) a vyparovania , príp. varu (2257 kJ.kg-1).

Zmeny skupenstva vody môžeme znázorniť týmito schémami:






Množstvo tepla, potrebné na zmenu skupenstva sa nazýva skupenské teplo a je to skupenské teplo topenia alebo tuhnutia a skupenské teplo vyparovania alebo kondenzačné. Ak ho vzťahujeme na 1 mól vody (18,0153 g vody) hovoríme o mólovom teple topenia alebo tuhnutia, alebo o mólovom teple vyparovania alebo kondenzácie. Z mólového tepla topenia alebo tuhnutia, vyparovania alebo kondenzácie možno vypočítať príslušné merné teplo. Molárne výparné teplo vody je 40,65 kJ.mol-1 a výparné teplo vody je 2258,5 kJ.mol-1.

Pri bode topenia je tuhá fáza – ľad v rovnováhe s kvapalinou – vodou a tento stav môže trvať ľubovoľne dlho. Bod topenia vody bol zvolený za začiatočný bod teploty stupnice Celsiovho a Reamurovho teplomera.

Ak zohrievame kvapalnú vodu, len časť dodaného tepla spôsobuje zvýšenie teploty, kým zvyšok sa spotrebuje na trhanie vodíkových mostíkov.

Dôsledok toho je veľká hodnota špecifickej tepelnej kapacity vody (4,1819 kJ.kg-1 pri 20 0C), ktorá sa, mení s teplotou anomálne - pri zvyšovaní teploty najprv klesá až potom začína vzrastať.

Zásluhou vysokej tepelnej kapacity vody je pevnina v zime morom otepľovaná a v lete ochladzovaná. Veľké vodné plochy (jazerá, moria, oceány) majú významný podiel na reguláciu teploty na našej Zemi.

Voda i ľad sa stále vyparujú (ľad sublimuje), preto sú stále obklopené parami. V uzatvorenom priestore pri danej teplote a tlaku sa po istom čase ustaľuje rovnováha, pri ktorej je priestor vodnou parou nasýtený. Tlak, ktorým para pôsobí v nasýtenom priestore, označujeme ako tlak nasýtenej vodnej pary. Zabraňuje ďalšiemu vyparovaniu vody a udáva vyparovaciu schopnosť vody.

obr. fázový diagram vody

Pretože voda sa vyparuje pri každej teplote, možno popri sebe súčasne sledovať všetky tri fázy. Tri fázy môžu byť v rovnováhe len pri určitom tlaku a určitej teplote, v našom prípade pri p=6,1.102 Pa a t = + 0,01 0C). Tento trojitý bod teda charakterizuje invariantnú sústavu, v ktorej sú v rovnováhe všetky tri fázy. Zo zjednodušeného fázového diagramu vody vyplývajú vzájomné vzťahy medzi trojitým bodom, krivkou varu a krivkou topenia a tuhnutia a krivkou sublimačnou.

Na fázovom diagrame krivka vyparovania TK znázorňuje závislosť vyparovania vody od teploty a tlaku. TA je krivka topenia a tuhnutia (kvapalnej) vody a OT vyparovacia krivka ľadu čiže sublimačná krivka. Uvedené tri krivky rozdeľujú pole diagramu na tri oblasti, a to na oblasť pary (I), kvapalnej vody (II) a ľadu (III). V týchrto oblastiach môže existovať vždy len jediné skupenstvo (para, voda, ľad). Za pomerov teploty a tlaku daných bodmi na krivkách fázového diagramu sú stále vždy len dve skupenstvá, na krivke vyparovania TK- voda a para, na krivke topenia a tuhnutia TA - voda a ľad, na sublimačnej krivke OT - ľad a para, v trojitom bode potom všetky tri skupenstvá.

Krivka vyparovania TK neprebieha donekonečna, ale je ukončená bodom K, ktorý patrí kritickému stavu. teplota a tlak, zodpovedajúce tomuto stavu sa označujú ako kritická teplota tk a kritický tlak pk. V kritickom stave hustoty obidvoch fáz sú rovnaké a mizne akýkoľvek rozdiel medzi obidvomi fázami - kvapalina aj para tvoria už len jedinú fázu (fluidná oblasť). Pri zvyšovaní tlaku sa fázový diagram vody komplikuje. Pri vysokých tlakoch jestvuje ešte šesť ďalších modifikácií ľadu, čo sa prejaví na fázovom diagrame šiestimi trojitými bodmi.

Pri premene vody na ľad za normálnych podmienok vzrastá objem asi o 9,1 % (r ľadu pri 0 0C je 916,8 kg.m-3).

Objemové zmeny vody, ktoré nastávajú v okolí teploty mrazu, zintenzívňujú korozívnu činnosť vody v prírode.

Mrznúca voda v póroch a puklinách hornín, stavebných materiáloch (malta, omietka, betón) zväčšovaním svojho objemu spôsobuje jeho trhanie.

3. Hustota vody

Hustota vody je pomer hmotnosti vody a jej objemu, udáva sa v kg.m-3. Mení sa v závislosti od teploty, avšak zmena nie je lineárna závislosť na teplote. Na rozdiel od iných kvapalín hustota vody vzrastá od 0 oC do 4 oC (3,98 oC presne) a pri tejto teplote má najväčšiu hustotu a so zvyšujúcou sa teplotou klesá (anomália vody). Destilovaná voda, teplá 4 oC bola vzatá za základ jednotiek hmotnosti a objemu. Hodnoty hustoty vody pri rôznych teplotách sú nasledovné:

Teplota oC 0 3,98 10 20 100
Hustota vody kg.m-3 999,84 999,97 999,70 998,20 958,38
Hustota ľadu kg.m-3 916,8

Anomália vody má veľký význam pre geologické a klimatické pomery, pre život vo vode a pre jej praktické použitie. Pri chladnutí vody do 4 0C voda klesá ku dnu, ale vody chladnejšia ako 4 0C, pretože je ľahšia ako štvorstupňová, zostáva na povrchu, kde sa ďalším znižovaním mení na ľad, ktorý na vode ľahšie pláva a chráni ju pred ďalším premŕzaním. nebyť tejto vlastnosti vody, zamŕzali by vody až na dno a zničil by sa všetok život v nich.


4. Viskozita vody

Pri ochladzovaní kvapalín sa kinematická energia molekúl zmenšuje, a preto sa výraznejšie uplatňuje pôsobenie medzimolekulových príťažlivých síl. Tieto sily sa okrem iného prejavujú aj tým, že kvapalina sa bráni vnucovanej zmene tvaru, t.j. pomalšie mení svoj tvar, pomalšie tečie. Hovoríme tu o vnútornom trení kvapalín, čiže o viskozite. Nepolárne kvapaliny majú menšie vnútorné sily, a preto aj menšiu viskozitu ako polárne kvapaliny. Viskozita so stúpajúcou teplotou a klesajúcim tlakom klesá.

Viskozita vody spolu s hustotou veľmi významne ovplyvňujú hydraulické chovanie sa vody. Rozdielne kvapaliny za rovnakých podmienok netečú rovnakou rýchlosťou. Viskozita je prejavom vnútorného trenia, ktoré nastane pri vzájomnom pohybe priliehajúcich častíc vody. Ak sa susedné vrstvy pohybujú rozdielnymi rýchlosťami, potom pomalšia vrstva spomaľuje rýchlejšiu a naopak. Od viskozity závisí objem prefiltrovanej vody za určitý čas. Viskozita pôsobí aj na rýchlosť tuhých látok vo vode, na ich usadzovanie (Stokesov zákon). Dynamická viskozita (h) vyjadruje silu vnútorného trenia, ktoré pôsobí v jednotkovej dotykovej ploche dvoch pohybujúcich sa vrstiev voda pri gradiente rýchlosti rovnajúcom sa 1. Hlavnou jednotkou dynamickej viskozity je Pascalsekunda [Pa.s ] = [N.s..m-2].

Kinematická viskozita (n) je definovaná ako podiel dynamickej viskozity a hustoty vody a jej jednotkou je štvorcový meter za sekundu [m2.s-1].




Kinematická viskozita vody v závislosti od teploty

Teplota vody [oC] 0 5 10 15 20 25 30
Kinematická viskozita vody106[m2.s-1 ] 1,78 1,52 1,31 1,14 1,01 0,91 0,81



5. Povrchové napätie

Príťažlivé sily vo vnútri kvapalín, ktoré pôsobia na každú molekulu zo všetkých strán sa vyrovnávajú. Avšak molekuly na povrchu, ktoré sú v styku so vzduchom, sú príťažlivými silami vťahované dovnútra kvapaliny, a preto sa kvapalina snaží zaujať čo najmenší povrch. Pretože najmenší povrch daného objemu je guľový, majú kvapky kvapalín guľový tvar. Sily, ktoré tento stav spôsobujú, sa kvantitatívne charakterizujú veličinou nazvanou povrchové napätie. Ak sa zvyšuje teplota kvapaliny, zmenšuje sa účinok príťažlivých síl medzi molekulami, a preto klesá aj povrchové napätie kvapalín, pri kritickej teplote je povrchové napätie nulové, Povrchové napätie ovplyvňujú aj väzby medzi molekulami, a preto polárne kvapaliny majú väčšie povrchové napätie ako nepolárne kvapaliny. Povrchové napätie sa vyjadruje v jednotkách N.m-1. Veľkosť povrchového napätia závisí výhradne od charakteru kvapaliny, plynu a teploty.

Povrchové napätie sa usiluje čo najviac zmenšiť povrch kvapalín a je príčinou kapilárnych javov, ako je vzlínanie vody v kapilárach hornín a pôdy, udržiavanie drobných látok na povrchu vody (drobný hmyz, zrniečka prachu apod.), zmáčacia schopnosť vody, tvorba peny a pod. Čím väčšie je povrchové napätie kvapaliny, tým menšia je jej zmáčacia schopnosť. Voda má v porovnaní s ostatnými kvapalinami pomerne vysoké povrchové napätie. Pri 20 oC je to 7,28.10-2 N.m-1, väčšina iných kvapalín 2,0.10-2 až 5,0.10-2 N.m-1. Pre niektoré spôsoby použitia vody je vysoké povrchové napätie nevýhodné, napr., pranie, umývanie. Preto na jeho zníženie a zvýšenia zmáčacej schopnosti sa pridávajú mydlá a iné prostriedky. Hodnoty povrchového napätia pri rozličnej teplote sú nasledovné:

Teplota 0C 0 20 40 60 80
10-2 N.m-1 7,549 7,28 6,954 6,60 6,23

Povrchové napätie vody ovplyvňuje ďalej napr. fyziologické správanie buniek živej hmoty, tvar dažďových kvapiek, vytváranie a činnosť vĺn na vodnej hladine.

6. Absorpcia svetla a tepla

Väčšina slnečného svetla, ktoré voda pohltí, sa premieňa na teplo, ktoré ohrieva vodu. Voda je stále vo výmene tepla so svojím okolím. Vysoké merné teplo vody zapríčiňuje značnú tepelnú kapacitu, preto väčšie vodné plochy môžu vplývať na klímu. Tok slnečného žiarenia, ktoré dopadá na našu planétu na vonkajšiu časť atmosféry, môžeme považovať za konštantný.

Na zemskom povrchu, pri výnimočne priezračnej atmosfére môže dosahovať hodnotu okolo 105 mW.cm-2.

Absorpcia slnečného žiarenia závisí od uhlu dopadu na vodnú hladinu, ako aj od vlnovej dĺžky. Okrem toho na absorpciu vplýva obsah rozpustených, ale najmä nerozpustených látok a tiež aj hrúbka ožarovanej vrstvy. S touto okolnosťou musíme rátať napr. pri dezinfekcii vody ultrafialovým žiarením.

Veľký význam má absorbovaná časť spektra ohraničená vlnovými dĺžkami 400 až 700 nm, tj. fotosynteticky aktívne žiarenie. Množstvo fotosyntetického žiarenia prenikajúce hladinou povrchových vôd a jeho absorpcia vo vodnom stĺpci určuje svetelnú klímu, v ktorej prebieha fotosyntéza vodných rastlín, či už fytoplanktónu prisadlých mikrofyt a makrofyt.



7. Elektrická vodivosť

Elektrolyty sú látky, ktoré sa vo vodných roztokoch rozdeľujú na kladne nabité katióny a záporne nabité anióny. Tieto vodné roztoky vedú elektrický prúd. Elektrická vodivosť elektrolytov závisí od teploty roztoku, pohyblivosti iónov a od koncentrácie.

Elektrický odpor stĺpca vody, resp. roztoku závisí podobne ako u tuhých vodičov od jeho prierezu q a dĺžky l:








kde prevrátená hodnota R-1 predstavuje vodivosť stĺpca, æ je tzv. merná vodivosť daného elektrolytu závislá od jeho zloženia. Ak vyjadrujeme prierez v cm2, potom æ = S.cm-1.

Jednotkou vodivosti je Siemens, (S = W-1). Charakteristickou veličinou v chémii vody je elektrolytická konduktivita (špecifická vodivosť) æ, ktorá v zriedených roztokoch je lineárnou funkciou koncentrácie zložiek. V hydrochémii sa používa jednotka rádovo nižšia mS.cm-1.Elektrolytická konduktivita závisí od teploty. Pri zvýšení teploty o 1 0C vzrastie elektrolytická konduktivita elektrolytov o 2 až 2,5 %.

Čistá voda je zlým vodičom elektrického prúdu, pretože je v nepatrenej miere disociovaná na ióny OH- a H+. Na vedení prúdu v roztokoch elektrolytov sa zúčastňuje každý ión samostatne a výsledná merná vodivosť je daná súčtom vodivosti všetkých iónov.

V chémii vody je vodivosť vodidlom pre posudzovanie množstva elektrolytov prítomných vo vode a môže slúžiť na kontrolu výsledkov chemického rozboru, na priebežnú kontrolu odpadových vôd, na automatickú kontrolu procesu odstraňovania vápnika a horčíka z vody apod. V chemickej odmernej analýze sa používajú vodivostné merania na konduktometrickú, vodivostnú titráciu.

Prosté podzemné a povrchové vody majú zvyčajne elektrickú konduktivitu 50 až 500 mS.cm-1. Odpadové vody majú vodivosť zvyčajne vyššiu niekedy až 104 mS.cm-1. Medzi vodivosťou v mS.cm-1 a obsahom elektrolytov v mg.l-1 platí vzťah:

C = kv.

æ

Hodnoty koeficienta kv možno pre danú vodu zistiť empiricky, zvyčajne sa pohybujú od 0,55 do 0,7.

Najčistejšia, tzv. vodivostná voda má špecifickú vodivosť asi 0,038 mS.cm-1 (pri 18 oC) resp. 0,055 mS.cm-1 (pri 25 oC). Destilovaná voda má vodivosť 0,3 až 3,0 mS.cm-1. Elektrolytická konduktivita vodných roztokov je funkciou obsahu iónov v roztoku, typu rozpustených látok a teploty. Pri vodách obsahujúcich prevažne anorganické látky (pitná voda, väčšina povrchových i niektoré odpadové vody) sa elektrolytická konduktivity využíva ako približná miera koncentrácie minerálnych elektrolytov. pri odpadových vodách obsahujúcich soli organických kyselín a zásad je elektrolytická konduktivita približnou mierou koncentrácie minerálnych a organických elektrolytov. Disociované organické látky v prírodných vodách ovplyvňujú ich vodivosť len veľmi málo. Pri analýze vôd sa uvádza elektrolytická konduktivita pri 20 0C.

Pomer elektrolytickej konduktivity a látkového množstva v 1 m3 ( koncentrácie c) sa nazýva mólová vodivosť l:





Mólová vodivosť s rastúcou koncentráciou klesá, maximálnu hodnotu má medzná mólová vodivosť lĄ čiže mólová vodivosť nekonečne zriedeného roztoku, ktorá je dôležitá elektrochemická veličina.

Hodnoty mólových vodivostí sa môžu použiť aj na kontrolu výsledkov chemickej analýzy vôd a pH hodnotu v rozmedzí 6 až 9 (koncentrácia iónov H+ a OH- je nízka, preto svojou pohyblivosťou nemôžu ovplyvniť výsledky stanovenia). Pri analýze zistené koncentrácia iónov sa vynásobia hodnotami mólových vodivostí pri danej teplote a zriedení. Pokiaľ takto vypočítaná elektrolytická konduktivita sa líši od experimentálne stanovenej v medziach ±2%, dá sa výsledok analýzy považovať za dobrý.

8. Hodnota pH

Hodnota pH je jedným z najcitlivejších ukazovateľov rovnovážnych stavov v prírodných vodách.
Veličinu pH definujeme ako záporný dekadický logaritmus aktivity vodíkových iónov

pH = -log aH+
čiže
aH+ = 10-pH
Aktivita vodíkových iónov vode je daná vratnou reakciou:

H2O H+ + OH-

Rovnovážna konštanta tejto rovnice je definovaná vzťahom: H2O





Pretože aktivita čistej vody
aH2O = 1
K. aH2O = Kv = aH+. a OH-

Takto definovaná rovnovážna konštanta Kv sa nazýva iónový súčin vody. Pri 25 0C je hodnota Kv = 1,008.10-14 mol2.l-2, čiže približne 10-14.

Vo vodnom prostredí sa protón nenachádza voľný, a hoci ho označujeme ako H+, v skutočnosti je prítomný vo forme hydroxóniového (hydroniového) katiónu iónu H3O+ (správnejšie rôzne podoby hydratovaného iónu H+.nH2O).

V čistej destilovanej vode je pri 25 0C, teda:
aH3O+ = aOH- = 10-7 mol.l-1
a pH = 7.

Voda, ktorej pH = 7 pri 25 0C je neutrálna, pretože v nej aH+ = aH-. Roztok s pH< označujeme ako kyslé, pH>7 ako zásadité. Nulová hodnota pH zodpovedá kyslému roztoku s jednotkovou aktivitou H+. Hodnota pH závisí aj od teploty, napr. čistá voda má pri 00C pH 7,472, pri 10C pH 6,12.

Hodnota pH je dôležitou veličinou na posudzovanie kyslosti alebo zásaditosti vody a je mierou obsahu látok, ktoré ju spôsobujú. Určuje sa kolorimetricky (pomocou univerzálneho indikátora, indikátorových papierikov, tlmivých roztokov) alebo potenciometricky (najčastejšie použitím sústavy kalomelová - sklená elektróda).


9. Oxidačno - redukčný potenciál

Popri pH je význačnou vlastnosťou prírodných vôd oxidačno - redukčný potenciál (redox potenciál E. Pre elektrochemickú reakciu:

a.Ox1 + b.Ox2 + ... + z.e- p.Red1 + + r.Red2 + ....

v ktorej a,b, .. p, r, .. sú absolútne hodnoty stechiometrických koeficientov iónov s vyšším oxidačným stupňom (Ox1,...) resp. iónov s nižším oxidačným stupňom (Red1,...), platí Petersova rovnica:





kde a sú aktivity jednotlivých iónov,
R - mólová plynová konštanta,
T - termodynamická teplota,
F - Faradayova konštanta,
E0 - štandardný potenciál elektródy (potenciál elektródy ponorenej do roztoku s jednotkovou aktivitou iónov).

Redoxný potenciál rozhoduje v oxidačných alebo redukčných podmienkach vo vodách. Pozitívna hodnota redoxného potenciálu charakterizuje oxidačné pomery a negatívne redukčné pomery.

V prírodných vodách sú oxidačné podmienky spojené s obsahom rozpusteného kyslíka. V aeróbnych podmienkach sa hodnota redoxného potenciálu pohybuje v pozitívnych hodnotách asi do + 400 mV. V anaeróbnych podmienkach klesá redoxný potenciál až do hodnoty - 500 mV.

Z hodnoty redoxného potenciálu možno vypočítať pomerné zastúpenie jednotlivých foriem výskytu rôznych súčastí vody (napr. FeII, FeIII, MnII, MnIII, MnIV), možno ho použiť pri riadení niektorých technologických úprav vody, pri kontrole vody v recipientoch atď.


10. Voda ako rozpúšťadlo

Významnou vlastnosťou vody je jej rozpúšťacia schopnosť. Voda je v prírode a v životnom prostredí človeka najdôležitejším a takmer univerzálnym rozpúšťadlom. existuje len málo látok, ktoré sa v nej nerozpúšťajú. To objasňuje množstvo látok, ktoré vo vode nachádzame.

Hlavnou príčinou značnej rozpúšťacej schopnosti a ionizačnej schopnosti vody je jej dipólový charakter a vysoká permitivita. Kvantitatívne zloženie roztoku udáva, v akom pomere sú zastúpené jednotlivé zložky.

Rozpustnosť tuhých látok vo vode

Pre svoj dipólový charakter je voda dobrým rozpúšťadlom iónových zlúčenín a obzvlášť schopná tvorby adičných zlúčenín s látkami tvorenými iónmi alebo majúcimi dipólový charakter.
Obr.
Uplatňovanie polarity (dipólového charakteru) molekúl vody pri rozpúšťaní iónových zlúčenín

Povrchové ióny kryštálovej mriežky priťahujú opačne nabité póly molekúl vody, ktoré sa vo veľkom počte zhlukujú okolo iónov, kým sa neuvoľnia z kryštálovej mriežky. Po uvoľnení z kryštálu sú ióny ihneď zo všetkých strán obklopené istým počtom molekúl vody. Tento dej sa označuje ako hydratácia. Hydratačné obaly iónov sú niekedy veľmi stále a ióny ich „nosia“ so sebou pri pohybe vo vode. Tak napr. vo vodnom roztoku modrej skalice nie sú v skutočnosti ióny Cu2+, ale komplexné ióny.

Rozpúšťanie tuhej látky bude prebiehať dovtedy, kým bude dostatok ďalších molekúl vody na hydratáciu. Medzi tuhou látkou a hydratovanými iónmi sa ustáli rovnováha, t.j. za jednotku času sa rozpustí také množstvo látky, aké sa jej opäť z roztoku vylúči – roztok je nasýtený. Zloženie nasýteného roztoku udáva rozpustnosť príslušnej látky vo vode. Takáto rovnováha môže byť porušená zmenou teploty. Zvýšenou teplotou obvykle vzrastá rozpustnosť látky (presýtený roztok), ale pri ochladení roztoku na normálnu teplotu sa nadbytok tuhej látky vylúči vo forme kryštálov. Pri niektorých látkach naopak rozpustnosť so vzrastajúcou teplotou klesá napr. CaCO3, MgCO3, CaSO4, Ca(OH)2, Mg(OH)2.Napr. rozpustnosť Ca(OH)2 vo vode sa asi z 1600 mg.l-1 pri 20 0C znižuje na 800 mg.l-1 pri 100 0C. To má praktický význam pri odstraňovaní vápnika z vody, keď za horúca sa dosahuje nižšia účinnosť.

Rozpustnosť anorganických zlúčenín závisí okrem od teploty aj od prítomnosti ďalších látok. Keď je prítomná látka s rovnakým iónom, rozpustnosť sa znižuje. V organických zlúčeninách je to naopak, pretože dochádza k vysoľovaniu.

Mnohé látky, ktoré bežne pokladáme prakticky za nerozpustné, sú predovšetkým z toxikologického hľadiska značne rozpustné. Napr. rozpustnosť ortuti v bezkyslíkatej vode je 0,02 až 0,06 mg.l-1, norma pre pitnú vodu pripúšťa iba 0,001 mg.l-1.

Rozpustnosť kvapalín vo vode

Vzájomná rozpustnosť kvapalín závisí od súdržných síl medzi ich molekulami, ako aj od teploty a tlaku. Všeobecne sú vzájomne lepšie rozpustné dve kvapaliny polárne, resp. nepolárne ako kvapalina polárna a nepolárna. Vo vode sa preto budú dobre rozpúšťať kvapaliny polárne, ako sú kyseliny anorganické i niektoré organické, niektoré alkoholy.

Nepolárne molekuly uhľovodíkov sa zle rozpúšťajú vo vode a ich rozpustnosť ešte ďalej klesá pri zvýšení teploty. Preto napr. prvé členy homologických radov alkoholov alebo mastných kyselín sú vo vode dobre rozpustné, avšak vyššie členy týchto radov, obsahujúcich niekoľko uhľovodíkových zvyškov, sú vo vode nerozpustné. Uhľovodíkové skupiny CH, CH2, CH3 sú hydrofóbne.

Ak sa vo vode vytvorí monomolekulová vrstva mastnej kyseliny, jej polárne- hydrofilné skupiny –COOH sa „kúpu“ vo vode a uhľovodíkový zvyšok , ktorý je hydrofóbny, „vyčnieva“ z vody.

Rozpustnosť plynov vo vode

Plyny sa rozpúšťajú vo vode v ľubovoľnom množstve. Keď plyn chemicky nereaguje s vodu, je rozpustnosť plynu malá a závisí nielen od vlastností plynu a vody, ale aj od vonkajších vplyvov (teplota, tlak). Podstatne väčšia je rozpustnosť plynov reagujúcich s vodou.(napr. rozpúšťanie CO2, NH3 vo vode).

Rozpustnosť plynov v kvapaline vyjadruje Henryho zákon, podľa ktorého množstvo rozpusteného plynu je pri stálej teplote úmerné jeho tlaku nad roztokom:

c = k.P,
kde c – je koncentrácia plynu v nasýtenom roztoku,
P – tlak plynu nad roztokom,
k – konštanta úmernosti závislá od teploty.

Ak sa v kvapaline rozpúšťa viac plynov, Henryho zákon platí pre každú zložku a možno ho písať takto:

ci = ki.pi,

kde ki – je absorpčný koeficient i-tej plynnej zložka,
pi – parciálny tlak i-tej plynnej zložky.

Henryho zákon platí pre nižšie rozpustnosti, menšie tlaky a pre prípady, keď plyny nereagujú chemicky s rozpúšťadlom. Pri plynoch dobre rozpustných a pri vyšších tlakoch sa objavujú značné odchýlky.

V chémii i technológii vody sú významné údaje o rozpustnosti kyslíka. Treba však rozlišovať rozpustnosť čistého kyslíka a rozpustnosť kyslíka zo vzduchu (vzduch obsahuje asi 21 obj. % kyslíka). Napr. pri teplote 10 0C a tlaku 0,1 MPa je rozpustnosť čistého kyslíka 54 mg.l-1 a kyslíka zo vzduchu 11,3 mg.l-1.

Rozpustnosť plynu obyčajne klesá s rastúcou teplotou, takže varom môžeme plyny z kvapaliny vypudiť (napr. pri odplynovaní kotlových napájacích vôd). Zvýšený obsah solí vo vode znižuje rozpustnosť plynov. Preto je rozpustnosť kyslíka v morskej vode nižšia ako vo vode riečnej.

11. Senzorické vlastnosti vody

Senzorické vlastnosti vody postihujeme našimi zmyslami. Patrí sem teplota, farba, zákal, priehľadnosť, pach a chuť. Chemicky čistá voda je bezfarebná kvapalina a bez zápachu.

Teplota

V závislosti od druhu vody jej teplota kolíše v širokom rozmedzí (od 0 0C až skoro k teplote varu). Teplota podzemných vôd je v priebehu roka približne konštantná. Obyčajné podzemné vody mávajú teplotu v rozmedzí od +5 0C do +130C. Vyššiu teplotu majú vody minerálne, resp. Termálne. Teplota povrchových vôd veľmi kolíše v priebehu ročných období i v priebehu dňa ( v rozmedzí od 0 do +25 0C). teplota povrchových vôd veľmi ovplyvňuje intenzitu samočistiacich procesov. Pri teplotách pod 10 0C sa spomaľuje proces hydrolýzy chemických zrážadiel, čo treba brať do úvahy pri vločkovaní.

Teplota vody sa meria pri odbere vzorky presným ortuťovým teplomerom deleným na 0,1 až 0,5 0C.

Na meranie teploty v rôznych hĺbkach vody sa používajú špeciálne ponorné teplomery. Optimálna teplota pitnej vody je 8 až 12 0C. Voda teplejšia ako 15 0C už neosviežuje.

Pri vypúšťaní teplých odpadových vôd teplota vody recipienta sa nesmie zmeniť o viac ako ± 5 0C oproti prirodzenej teplote, pričom v letnom období nesmie prekročiť v pstruhových vodách 20 0C a v mimopstruhových vodách 25 0C.

Farba

Farbu vody spôsobujú látky rozpustené i nerozpustené. Rozlišuje sa skutočná farba vody od farby zdanlivej, spôsobenej farebnosťou nerozpustených látok. Čisté prírodné vody sú spravidla takmer bezfarebné, v hrubých vrstvách blankytnomodré. Modrá farba je tým intenzívnejšia, čím menej a menších suspendovaných látok voda obsahuje. V dôsledku jemných rozptýlených látok modrá farba prechádza do zelena. Charakteristické zafarbenie dávajú vode i niektoré mikroorganizmy. Žltú až hnedú farbu povrchových vôd spôsobujú humínové látky a zlúčeniny trojmocného železa. Zelenkastú farbu vody spôsobuje aj obsah vápenatých solí a takmer zelenú farbu niektorých jazier spôsobuje útvar podložia. Farba odpadových vôd môže mať najrozličnejšie odtiene.

Farba vody je fyzikálnym indikátorom čistoty povrchových a podzemných vôd a dôležitým kritériom zisťovania účinnosti technologického zariadenia úpravne.

Farba vody sa určuje vo filtrovanej alebo nefiltrovanej vzorke takto:
· vizuálne - pozorovaním 10 cm vysokej vrstvy vody vo valci zhora proti bielej podložke pri nepriamom dopade svetla. Výsledok sa uvádza slovne podľa tónu a intenzity zafarbenia,
· porovnaním farby vody s umelými štandardmi so známou koncentráciou farebných látok. Ako štandard sa používa roztok chloroplatičitanu draselného a chloridu kobaltnatého. Výsledky sa udávajú v mg platiny na liter vody. Pri pitnej vode sa pripúšťa maximálne 20 mg platiny na liter vody. Farba vody príp. jej intenzita spravidla závisia od hodnoty pH a preto a má vzťahovať aj na túto hodnotu.

Pri priemyselných odpadových vodách sa farba vody charakterizuje zameraním absorpčného spektra v celej oblasti viditeľného žiarenia.


Zákal

Zákal vody spôsobujú nerozpustné a koloidné látky anorganického a organického pôvodu. V povrchových vodách zákal spôsobujú íly, oxid kremičitý, hydratované oxidy železa a mangánu, organické koloidy, baktérie, planktón atď., a v podzemných vodách predovšetkým anorganické látky.

Zákal spôsobuje nežiaduci vzhľad pitných a úžitkových vôd.

Zákal sa hodnotí:

· subjektívne ako veľmi slabý, slabý, zreteľný a veľmi silný,
· kvantitatívne sa určuje porovnaním so štandardom suspendovaného oxidu kremičitého alebo formazínu turbidimetricky (meria sa zníženie intenzity svetelného žiarenia, ku ktorému dochádza jeho rozptylom na časticiach suspendovaných v kvapaline), alebo ak ide prevažne o koloidy, nefelometricky (meria sa svetlo rozptýlené na čiastočkách mikrosuspenzie, vystupujúce z kyvety kolmo na smer vstupu svetla). Výsledok sa udáva formazínovou jednotkou zákalu (ZK = koncentrácia štandardnej suspenzie formazínu pripravenej reakciou síranu hydrazínia s hexametyléntetramínom). 1 ZF = 1 mg SiO2 v litri vody. V pitnej vode sa dovoľuje maximálne 5 ZF.

Priehľadnosť

Priehľadnosť vody závisí od jej farby a zákalu. Fotometricky, pri 80 minútovej expozícii sa v Atlantickom oceáne zistilo prenikanie svetla do hĺbky 1500 m. Bežná priehľadnosť neznečistenej morskej vody je asi 200 m. Hlavná časť svetla sa pohltí už v povrchovej vrstve vody (v prvej metrovej vrstve asi 50 %, v hĺbke 2 m % a do hĺbky 10 m sa dostane len asi 30 % všetkého svetla dopadajúceho na hladinu vody). Vo všeobecnosti v obyčajných vodách dochádza k značnejšiemu absorbovaniu svetla ako v mori.

Mierou priehľadnosti vody je výška stĺpca vody (v cm), pri ktorej sa dá ešte pozorovať biela doska určitých rozmerov alebo prečítať písmo určitého typu. Treba pritom udať použitý spôsob merania.

Pach

Pachom vody označujeme vlastnosť vody spôsobenú prchavými letkami rozličného charakteru ktoré sú prítomné vo vode a pôsobia na čuch. Zdroje pachu delíme na primárne a sekundárne.

Primárne zdroje pachu sú látky
· tvoriace prirodzenú súčasť vody,
· biologického pôvodu,
· obsiahnuté v splaškových a priemyselných odpadových vodách.

V prírodných vodách výhradne s anorganickými látkami sa pachovo môže uplatniť len sírovodík. Pach biologického pôvodu vzniká životnou činnosťou alebo odumieraním rastlín, rias, baktérií, aktinomycét, plesní, húb, a prvokov obsiahnutých v týchto vodách. znečistenie odpadovými vodami sa prejavuje nielen vlastným pachom týchto vôd, ale aj pachom rozkladných produktov (hnilobnosť, sírovodík, indol, skatol atď.). Niektoré druhy organizmov produkujú špecifické pachy napr. po uhorkách (Synura), pelargóniách (Asterionella), fialkách (Mallomonas), rybách (Uroglenopsisi a Dinobryon). Typický je pach sídliskových odpadových vôd, ktorý je zmesou fekálneho pachu, pachu z rozkladu tukov, proteínov, mydiel atď. Odpadové vody chemického priemyslu sa prejavujú charakteristickým pachom podľa druhu výroby.

Sekundárny pach môže získať voda v priebehu technologickej úpravy. Pach pitnej vody získanej úpravou povrchnej vody je podmienený vlastnosťami použitej surovej vody, technologickým postupom a spôsobom zabezpečenia. Napr.

pri chlorácii vody v prítomnosti fenolov vzniká v upravenej vode charakteristický chlórfenolový zápach.

Druh pachu pitnej vody sa určuje zmyslovo (čuchom) pri teplote vzorky 20 až 60 0C. Označuje sa slovne (napr. pach hnilobný, plesňový, zatuchnutý, fenolový, chlórový, uhorkový a pod.).Miera pachu (kvalita) sa určuje tiež zmyslovo pri 20 až 60 0C. Hodnotí sa podľa šesťmiestnej stupnice. Výsledok sa udáva rímskou číslicou a slovným opisom druhu pachu.

Hodnotenie miery pachu pitnej vody

Miera pachu Slovná charakteristika Vonkajší prejav pachu
0 žiadny pach sa nedá zistiť
I veľmi slabý pach nezistí spotrebiteľ, môže ho však zistiť odborník
II slabý pach zistí spotrebiteľ, ak ho naň upozorňujú
III znateľný pach sa dá zistiť, môže byť príčinou nechuti k vode
IV zreteľný pach vzbudzuje pozornosť a tým aj nechuť používať vodu
VI veľmi silný pach je taký silný, že robí vodu nevhodnou na pitie
Miera pachu P sa môže určiť pachovou skúškou (zriedením vzorky do takej miery, pri ktorej je pach práve ešte postihnuteľný) alebo výpočtom. Výpočtom sa miera pachu stanovuje spravidla vtedy, ak ide o jednu pachotvornú látku vo vode a ak je známe koncentrácia tejto látky vo vode (c1) a jej prahová koncentrácia (c2) v mg.l-1, ktorá spôsobuje práve postihnuteľný pach:
c1
P =
c2


Napr. prahová koncentrácia toluénu je 0,5 mg.l-1, pyridínu 2,5 mg.l-1,benzénu 8 mg.l-1, fenolu 18 mg.l-1.

Chuť

Chuťové vlastnosti vody sú podmienené prítomnosťou látok, ktoré sa do vody odstávajú prirodzenou cestou alebo sú dôsledkom znečistenia. Základné štyri chute sú slaná, sladká, horká a kyslá. Všetky iné chuťové odtiene sú zmesou základnej chuti. Kyslé chuťové pocity vyvolávajú všetky kyseliny. Slanú chuť v čistej forme vyvoláva výhradne chlorid sodný. Horkú chuť vyvolávajú živice, živicové kyseliny, glykozidy, alkaloidy, triesloviny. Sladkú chuť vyvolávajú látky povahy sacharidov. Podzemné vody výhradne s anorganickými rozpustenými látkami majú špecifickú chuť podľa obsahu železa, mangánu, horčíka, sodíka, draslíka, chloridov a uhličitanov. Primerané množstvo solí a prítomnosť voľného oxidu uhličitého dodáva vode osviežujúcu príchuť. Vyšší obsah niektorých solí pôsobí nepriaznivo. Tak napr. vody s vyšším obsahom horčíka sú horké, väčšie množstvá zlúčenín železa alebo mangánu značne zhoršujú chuť vody. Najvhodnejšia pH hodnota vody je 6 až 7. Hodnoty pH vody vyše 8 spôsobujú už lúhovo-mydlovú chuť.

Vyššie koncentrácie rozpusteného oxidu uhličitého môžu maskovať niektoré nepríjemné chuťové vnemy iných látok.

Prahové koncentrácie chuti organických látok v prípadoch sú nižšie, ako ich najvyššie prípustné koncentrácie z hľadiska toxicity.

Chuť sa zisťuje iba pri pitných vodách zmyslovo a vyjadruje sa opisom (sladká, slaná, horká, kyslá príp. sa uvedie aj príchuť napr. kovová, mydlová). Ochutnáva sa vzorka bakteriologicky bezchybná a neobsahujúca toxické látky, pri pôvodnej teplote alebo pri 18 až 20 0C, v osobitných prípadoch 40 0C.


12 Chemické zloženie vôd

Chemicky čistá je oba destilovaná voda. Voda vyskytujúca sa v prírode je rôzne znečistená a môžeme ju považovať za roztok rozmanitých plynov a anorganických a organických látok. zloženie prírodných vôd je ovplyvnené rozpustnosťou tuhých látok a plynov, výmenou iónov medzi kvapalinou a tuhou fázou, oxidačnoredukčnými a biochemickými procesmi.

Z chemického hľadiska delíme látky obsiahnuté vo vodách na anorganické a organické. Z fyzikálneho hľadiska môžu byť tieto prítomné látky iónovo rozpustené (elektrolyty), neiónovo rozpustené (neelektrolyty) alebo ako nerozpustené (usaditeľné, neusaditeľné a vznášavé). Delenie látok na rozpustené a nerozpustené závisí od spôsobu separácie. Tá časť vody, ktorá prešla pri filtrácii vody membránovými filtrami s veľkosťou pórov 0,1 až 1,0 mm, považujeme za látky rozpustené.

Látky prítomné vo vode možno klasifikovať aj podľa ich kvantitatívneho zastúpenia (podľa F.N. Kemmera):


































II. Potreba vody pre obyvateľstvo, priemysel a poľnohospodárstvo a jej kvalita

Základným predpokladom navrhovania a riešenia každého vodohospodárskeho objektu a zariadenia je poznať jednotlivých spotrebiteľov vody a určiť potrebu vody. Výpočet potreby vody sa uskutočňuje podľa smerníc MLVH a MZ.

Celková potreba vody na zásobovanie oblastí sa rozdeľuje v podstate na štyri základné skupiny:

1. voda pre obytné pásma obcí:
· voda pre bytový fond t.j. na priamu osobnú spotrebu obyvateľstva na pitie, varenie, umývanie a prianie apod.,
· voda pre vybavenosť obce (polievanie parkov, ihrísk, ciest), verejné a ostatné zariadenia v obci (obchody, kultúrne zariadenia, zdravotníctvo, ihriská, komunálne služby),
2. voda pre priemysel:
· voda pre zamestnancov závode (pitie, umývanie apod.),
· voda pre prevádzku priemyselných závodov (technologická, chladiaca, napájecia apod.),

3. voda pre poľnohospodárstvo:
· voda pre pracovníkov v poľnohospodárstve,
· voda pre hospodárske zvieratá,
· voda pre závlahy,

4. voda pre protipožiarne účely
· spotreba vody pre všetky skupiny spotrebiteľov sa uvažuje podľa skutočného odberu.

Naviac treba rátať i so spotrebou vody pre prevádzku vlastných vodohospodárskych zariadení, obzvlášť v úpravovni vôd, napr. Pranie filtrov.

Toto množstvo je 2 – 5 % z celkovo upravenej vody.

V záujme čo najhospodárnejšieho využitia zdrojov vody a vodovodných i kanalizačných zariadení treba navrhovať vodovody, vodovodné a kanalizačné zariadenia, ktoré by vyhovovali použitiu i budúcich rokoch. Z týchto dôvodov sa výpočet potreby vody pri projektoch robí asi na 30 rokov.

Potreba vody pre obyvateľstvo sa rozdeľuje:
· potreba vody pre bytový fond
· potreba vody pre občiansku a technickú vybavenosť. Špecifická potreba vody je priemerná potreba a je: l.os-1.den-1
· pre byty ústredne vykurované s kúpeľňou a ústrednou
prípravou teplej vody 280

· pre byty s kúpeľňou a lokálnym ohrevom teplej vody 230
· pre ostatné byty pripojené na vodovod, vrátane bytov so
sprchovým kútom 150
· pre obyvateľov nepripojených na vodovod 40

Potreba vody pre základnú a vyššiu vybavenosť sa určí podľa veľkosti obce. Špecifická spotreba vody pre základnú príp. vyššiu vybavenosť je:
· vo vidieckych obciach do 100 obyvateľov 20
· od 1000 do 5000 obyvateľov 30
· od 5000 do 20 000 obyvateľov 70
· od 20 000 do 100 000 obyvateľov 125


Nerovnomernosť potreby vody

Pri navrhovaní základných parametrov vodárenských objektov a zariadení, privádzačov, rozvodných sietí, vodných zdrojov, vodojemov a úpravní vôd treba počítať s časovo nerovnomerným priebehom potreby vody a určiť maximálnu dennú a maximálnu hodinovú potrebu vody.

Maximálna denná potreba vody sa vypočíta zo vzorca:

Qm = Qp. kd

kde Qm - maximálna denná potreba vody,
Qp – priemerná denná potreba vody,
Kd – súčiniteľ dennej nerovnomernosti.

Na maximálnu dennú potrebu sa dimenzuje záchytné zariadenie vody, kapacita úpravne vody a privádzače vodných zdrojov do vodojemov.

Maximálna hodinová potreba vody pre obyvateľstvo sa vypočíta zo vzťahu:

Qh = Qm. kh,
kde Qh - maximálna hodinová potreba vody,
Kh – súčiniteľ hodinovej nerovnomernosti.

Vlastnosti vody na pitné účely

Voda sa posudzuje podľa jej fyzikálnych, chemických, biologických a bakteriologických vlastností, ktoré sa zisťujú príslušnými rozbormi vody.

Z fyzikálnych vlastností sú pre hodnotenie kvality vody významné: hustota vody, povrchové napätie, viskozita, tepelná a elektrická vodivosť, teplota vody, rozpúšťacia a disociačná schopnosť, absorpcia svetla, zmeny skupenstva. Z hľadiska úpravy na pitné účely má rozhodujúci význam obsah rozptýlených látok, zákal, zafarbenie, vzhľad, chuť a pach vody.

Chemickou analýzou sa určuje množstvo rozpustených a nerozpustených látok organických a anorganických. Ďalej sa určuje pH, biochemická a chemická spotreba kyslíka a neutralizačná kapacita.

Z katiónov sa spravidla stanovujú disociované soli alkalických kovov (Na+, K+, Li+), kovy alkalických zemín (Ca2+, Mg2+) a ďalšie kovy (Al3+, Fe2+, Mn2+, Pb2+, Cu2+, Zn2+) Z aniónov sa stanovujú chloridy, jodidy, bromidy, fluoridy, sírany, fosforečnany, sulfidy, sulfán, dusitany a dusičnany, fosforečnany, uhličitany a hydrogénuhličitany. Z neelektrolytov sú najvýznamnejšie kyselina kremičitá, hydroxid titaničitý a látky humínovej povahy. Z rozpustených plynov je najvýznamnejší kyslík, oxid uhličitý a sulfán.


Na riešenie technologických postupov pri úprave vody najdôležitejšie hodnoty sú pH, nerozpustené látky, organické látky, CHSK, BSK, obsah vápnika a horčíka, železa a mangánu, uhličitany, sírany, dusitany, dusičnany, amoniak, kyselina kremičitá, kyslík, oxid uhličitý a sulfán.

Pri biologickom posudzovaní vlastností vody sa zisťujú makroskopické a mikroskopické organizmy, ktoré sú indikátormi stavu čistoty vody, prípadne jej znečistenia.

Voda na zásobovanie priemyslu

Rôzne závody potrebujú rôzne množstvá vody. V podstate v priemysle treba zabezpečiť vodu:
· pre pracovníkov závodu,
· pre prevádzku priemyselných závodov.

Podľa použitia na jednotlivé prevádzkové účely možno rozlišovať vodu:
· chladiacu (v niektorých závodoch množstvo chladiacej vody predstavuje 90 % celkovej potreby vody závodu),
· prevádzkovo-technologickú (voda pre výrobné procesy, pranie, kondenzátory),
· napájaciu (voda do parných kotlov),
· požiarnu,
· na klimatizáciu.
· na rôzne účely, na dopravu (napr. repy v cukrovare, zemiakov a pod.).

Kvalita prevádzkovej vody závisí od druhu výroby a od jej použitia. Potravinársky priemysel potrebuje vodu bakteriologicky nezávadnú, iné odvetvia zase s priaznivým chemickým zložením, niektoré v kvalite destilovanej vody (výroba chemikálií, liečiv). Vo všeobecnosti možno konštatovať, že väčšina výrob potrebuje vodu mäkkú, čistú, bez zákalu a farby, s nízkym obsahom železa a mangánu, bez agresívneho oxidu uhličitého, s nízkym obsahom chloridov a síranov, hygienicky nezávadnú s neutrálnym pH.

III. Odpadové vody a ich vplyv na recipient

Odpadové vody sú vody použité v sídliskách, obciach, domoch, závodoch, zdravotníckych zariadeniach a iných objektoch alebo zariadeniach, ak sa po použití zmení ich akosť, ako aj ostatné vody z nich odtekajúce, ak môžu ohroziť akosť povrchových a podzemných vôd.

Odpadové vody rozdeľujeme podľa rôznych kritérií:

· splaškové - odpadové vody z domácností, sociálnych zariadení, objektoch spoločného stravovania a ubytovania a pod.,
· mestské - zmes splaškových a iných, najmä priemyselných odpadových vôd, ktoré odtekajú verejnou kanalizáciou,
· priemyselné - znečistené vody z výrobného procesu,
· poľnohospodárske - znečistené vody z rastlinnej a živočíšnej výroby, drenážne vody z meliorácií,
· dažďové - vody z atmosférických zrážok odvádzané stokovou sieťou,
· iné odpadové vody - sem patria nemocničné, chladiace a iné odpadové vody.

Podľa akosti rozoznávame odpadové vody:
· čerstvé,
· nahnité
· infekčné
· rádioaktívne
· toxické.


Množstvo a akosť odpadových vôd

Odpadové vody charakterizuje množstvo a akosť, ako aj ich časová zmena. Množstvo a akosť sa určujú:
· priamym meraním,
· výpočtom,
· prípadne modelovaním. Množstvo odpadových vôd a jeho časová zmena sa vyjadrujú určitými charakteristickými prietokmi, ktoré dostávame štatistickým spracovaním dlhotrvajúcich pozorovaní prietoku odpadových vôd.

Pri posudzovaní množstva sa vychádza z priemerného denného prietoku Qd, ktorý predstavuje ročný prietok odpadovej vody delený 365. Obyčajne má rozmer m3.d-1. Z tohto prietoku sa ďalej určujú charakteristické prietoky:
· maximálny denný prietok Qm - je špičkový prietok za jeden deň v roku, určovaný z priemerné denného prietoku vynásobením súčiniteľom dennej nerovnomernosti,
Maximálny denný prietok Qmax - patrí k najdôležitejším prietokom pre návrh čistiarenských objektov a je definovaný vzťahom:








kde kmax je súčiniteľ maximálnej hodinovej nerovnomernosti, závislý od viacerých faktorov (veľkosť a druh sídla, výrobného závodu a pod.).

Podobne je definovaný minimálny prietok Qmin:







kde kmax je súčiniteľ minimálnej hodinovej nerovnomernosti (0,55 až 0,65):

Pre posúdenie, či odpadové vody treba čistiť biologicky, fyzikálne a lebo fyzikálno-chemicky, treba poznať okrem množstva ak ich chemické zloženie, biologické a bakteriologické vlastnosti. Splaškové odpadové vody majú pomerne stále zloženie, obsahujú zväčša organické látky. Hlavný podiel znečisťujúcich látok pochádza z moča a tuhých fekálií. Z práčovní a kúpeľní sa dostávajú do odpadových vôd súčasti pracích a namáčacích prostriedkov (mydlá, tenzidy, fosforečnany, uhličitany, kremičitany a pod), súčasti potu, z kuchýň zvyšky potravy, tuky, súčasti mycích a čistiacich prostriedkov. Z organických látok v splaškových vodách prevažujú zvyčajne sacharidy (vrátane ich štiepnych produktov), lipidy (vrátane voľných mastných kyselín) a aminokyseliny (voľné a viazané proteíny - peptidy). Pre obrovské množstvo najrôznejších mikroorganizmov, ktoré sa nachádzajú v splaškových odpadových vodách sú tieto vody závažným potenciálnym faktorom šírenia infekcie.

Priemyselné odpadové vody vznikajú pri získavaní organických a anorganických surovín a pri ich priemyselnom spracúvaní. Tieto vody sa líšia charakterom znečistenia, chemickým zložením a fyzikálnymi vlastnosťami. Odpadové vody z priemyselných závodoch sú zväčša zmesou rozličných odpadových vôd z jednotlivých výrob, ako aj splaškových odpadových vôd, predovšetkým zo sociálnych zariadení.

Poľa akosti sa delia:
1. mimoriadne škodlivé - treba ich zneškodňovať osobitne, príp.

vhodne predčisťovať pred napojením na ostatné odpadové vody podobného charakteru,
2. znečistené zväčša organickými látkami rozložiteľnými biologicky (tiež sa nazývajú hnilobné odpadové vody). Tieto odpadové vody je účelné čistiť spoločne v biologickej čistiarni,
3. znečistené zväčša anorganickými príp. organickými látkami, ktoré sú odolné voči biologickému čisteniu a kde sa predpokladá chemické čistenie. Nazývajú sa tiež nehnilobné odpadové vody,
4. relatívne neškodné, pretože tieto obsahujú zmes rozličných látok a charakterizujeme ich podľa toho, aká skupina látok prevažuje.

Predpokladom pre návrh ČOV je zistenie vlastností odpadových vôd, ktoré sa majú v ČOV prečistiť. Odberu vzoriek a analýze treba venovať veľkú pozornosť, pričom sa v analyzovanej vzorke stanovuje:
· celkové množstvo, rozpustené i nerozpustené látky (získanie hrubej predstavy o celkovom obsahu látok),
· neutralizačná kapacita a pH (získanie údajov o potrebe neutralizácie odpadových vôd pred čistením alebo vypúšťaním do recipienta),
· obsah dusíka a fosforu (údaje potrebné pre biologické čistenie),
· CHSK (celkové organické znečistenie),
· BSK5 (odlíšenie látok biologicky rozložiteľných a nerozložiteľných).

Výpočet základných ukazovateľov akosti mestských odpadových vôd, ktoré potrebujeme pri návrhu čistenia sa zakladá na poznatku, že znečistenie prichádzajúce od jedného obyvateľa za deň do verejnej stokovej siete je priemerne rovnaké. Špecifické množstvo znečistenia t.j. priemerné denné množstvo znečistenia od obyvateľa, predstavuje 60 g.obyv-1. d-1 vzhľadom na BSK5. Zo špecifického množstva znečistenia a priemerného denného prietoku možno určiť koncentráciu mestských odpadových vôd. zvyšovaním spotreby vody dodanej verejným vodovodom sa ich koncentrácia znižuje.

V priemysle sa množstvo odpadových vôd vyjadruje rôznym spôsobom, obyčajne ako špecifické množstvo vody vztiahnuté na mernú jednotku suroviny alebo výrobku. Vyjadrenie akosti je zložitejšie, lebo každý závod predstavuje určité špecifikum. Priemerný denný prietok možno určiť z dennej produkcie závodu a špecifického množstva odpadových vôd, ktoré pripadá na mernú jednotku suroviny alebo výrobku. Akosť priemyselných odpadových vôd možno vyjadriť pomocou populačného ekvivalentu.

Populačný ekvivalent je množstvo znečistenia vyjadrené v príslušných jednotkách určitého druhu znečistenia, ktoré je rovnaké, ako je znečistenie tohto druhu produkované denne jednou osobou.

Najčastejšie sa používa ekvivalentný počet obyvateľov Ekv, ktorý vyjadruje, aký počet obyvateľov produkuje rovnaké znečistenie ako odpadové vody z výroby jednotkového množstva suroviny alebo výrobku.

Pri výpočte sa za základ berie špecifické znečistenie produkované jedným obyvateľom v BSK5 za 1 deň, t.j. 60 g BSK5 na 1 obyvateľa za deň. Ekvivalentný počet obyvateľov sa počíta zo vzorca:





kde Qd je potreba vody na výrobnú jednotku suroviny alebo výrobku (m3.d-1.l-1, m3.d-1.m-3, m3.d-1.kus),
c - priemerná koncentrácia znečistenia podľa BSK5 (g.m-3).

Ekvivalentný počet obyvateľov, určený podľa BSK5, treba používať opatrne, pretože priemyselné odpadové vody charakterizujú aj ostatné kritériá (ukazovatele) znečistenia, ktoré môžu byť dôležitejšie ako BSK5. Pri priemyselných odpadových vodách populačný ekvivalent Ekv sa obyčajne vzťahuje na mernú jednotku suroviny alebo výrobku. Pretože v poslednom čase sa používajú vyššie hodnoty ako 54 g.obyv.-1.d-1, odporúča sa uvádzať špecifické množstvo znečistenia, ktoré bolo zvolené pre výpočet ekvivalentného počtu obyvateľov.

Poľnohospodárske odpadové vody - ich údaje o množstve a akosti sa značne líšia, závisia od druhu zvierat, spôsobu ustajnenia, kvality výživy atď.

Zrážkové odpadové vody - sa znečisťujú už ľudskou činnosťou v ovzduší, zmývajú zemský povrch a zvirujú usadeniny v stokách. Počas dažďa odteká do recipienta cez výpuste dažďovej siete delenej sústavy a cez priepady odľahčovacích komôr jednotnej stokovacej sústavy veľké množstvo znečistenia. Napriek krátkotrvajúcemu pôsobeniu dažďových vôd na recipient a pomerne veľkej odolnosti recipienta proti tomuto znečisteniu treba zrážky odtekajúce stokovou sieťou hodnotiť ako odpadové vody.

Dažďové odpadové vody z miest a obcí sú zväčša znečistené mikroorganizmami, nerozpustenými látkami a v jednotnej stokovacej sústave sú zmiešané s mestskými odpadovými vodami. Hlavný podiel znečistenia v lokalitách s nedostatočným sklonom stôk tvorí zvírený sediment. Zrážky v stokovej siete s väčším sklonom obsahujú znečistenie, ktoré vzniká premývaním ovzdušia a splachom povrchových nečistôt. Znečistenie je charakterizované mikroorganizmami a rôznymi látkami, ktoré sú typické pre znečistené prírodné prostredie (ropné látky, ťažké kovy a pod.).





Saprobita a toxicita

Prítomnosť znečisťujúcich látok vo vodách sa postupne prejaví zmenou fyzikálnych, chemických ale aj biologických vlastností. Predovšetkým vyhynú mnohí zástupcovia fytoplanktónu a zooplanktónu, na druhej strane sa začínajú rozvíjať iné druhy mikroorganizmov, kam patria aj mikróby. Každému stupňu znečistenia zodpovedá určitá biocenóza.

Tá potom dáva možnosť vyhodnotiť momentálny stav akosti vody, ktorý ovplyvňuje rozvoj druhov.

Biologický stav, vyvolaný znečistením vody biologicky rozložiteľnými organickými látkami sa označuje ako saprobita(z gréckeho - sapros = hnilobnosť, špina, znečistenie). Teda súvisí s akosťou vody a stanovuje sa analýzou živých a spoločenstiev, ktorej základom je určenie druhov, žijúcich na posudzovanej lokalite. Hodnotí sa prítomnosť alebo neprítomnosť druhov. Saprobita je teda biologický obraz znečistenia vody.

Paralelne so saprobitou sa vyskytujú aj ďalšie faktory akosti vody, ako sú trofia (úživnosť), toxicita, rádioaktivita, prípadne ďalšie faktory, ktoré niekedy s ňou interferujú. Saprobitu posudzujeme podľa systému sapróbnych mikroorganizmov, (mikroskopickou a lebo makroskopickou metódou), toxicitu skúmame pomocou testov toxicity a rádioaktivitu rádiometrickou analýzou.Vplyvom zmien v sapróbnych pomeroch vznikajú zmeny (striedanie) sapróbnych spoločenstiev.

Odpadové vody často obsahujú toxické látky, ktoré alebo brzdia životné procesy vodných organizmov, alebo v krajných prípadoch zapríčinia aj ich uhynutie. Toxický účinok sa môže prejaviť alebo veľmi rýchlo, o niekoľko hodín alebo niekoľko málo dní (akútna toxicita), alebo až po týždňoch, mesiacoch, rokoch (chronická toxicita). Toxické látky sa vyskytujú najmä v odpadových vodách kovopriemyslu. Ide predovšetkým o soli ťažkých kovov, fenoly a kyanidy. Toxické látky môžu mať pôvod aj v rozklade prírodných organických látok pri anaeróbnych podmienkach (napr. amoniak, sulfán, hydroxylamín), alebo ich do vody možno zaniesť pesticídmi z poľnohospodárstva.

Pri biologickej analýze poznávame toxické pôsobenie podľa postupného úbytku druhov a množstva organizmov. Presnejší je laboratórny test toxicity. Podľa jednotlivých metód biologického rozboru je u nás štandardizovaných 15 metód, pomocou ktorých sa odpadová voda resp. príslušná chemická látka testuje. Na testovanie sa používajú testovacie organizmy od baktérií cez riasy, prvoky až ryby. Iné testy sledujú životné procesy (dýchanie, fotosyntéza). Krátkotrvajúce pokusy sú štandardizované na 2 dni.



Vypúšťanie odpadových vôd do recipienta

Kvalitu zdrojov podzemnej a povrchovej vody negatívne ovplyvňuje vypúšťanie odpadových vôd (znečistených alebo vyčistených pomocou dostupných technológií).

Vypúšťané vody by mali obsahovať len zbytkové znečistenie, ktoré dané technologické zariadenie nie je schopné odstrániť.

Fyzikálne, chemické a biologické vlastnosti vody v tokoch alebo v nádržiach sa menia dvomi druhmi znečistenia:
1. Prvotné znečistenie - látkami, prítomnými ako znečisťujúce zložky v odpadových vodách, alebo zmenami vlastností, ako:
· plávajúce látky,
· kal,
· nerozpustené látky usadzujúce sa na dne,
· organické látky rýchlo spotrebúvajúce kyslík,
· anorganické rozpustené látky, zvyšujúce mineralizáciu vody
· bakteriálne znečistenie: saprofylitické baktérie (rozkladajú organické látky) a patogénne baktérie (nákazlivé ochorenie ľudí a zvierat)
· priemyselné a poľnohospodárske znečistenie (kyanidy, fenoly, ťažké kovy), kancerogénne látky, kyseliny a zásady, farbivá, pachotvorné látky (ropné produkty a chlórované uhľovodíky), splachy z priemyselných hnojív a pesticídov, kvapalné odpady zo živočíšnej výroby, silážne šťavy,
· tepelné znečistenie (zvyšuje rýchlosť rozkladu organických látok a znižuje rozpustnosť kyslíka vo vode),
· rádioaktívne znečistenie, určené obsahom rádioaktívnych látok vo vode.

2. Druhotné znečistenie - vplyvom chemických a biologických reakcií vyvolaných prístupom látok, ktoré spôsobujú silné rozmnoženie mikroorganizmov, rias, siníc a rozsievok - eutrofizáciu povrchových vôd.

Znečisťujúce zložky odpadových vôd priesakmi môžu hroziť akosť podzemných vôd - hlavne dusičnanmi zo splachov priemyselných hnojív, ropnými látkami a chlórovanými uhľovodíkmi.

Vypúšťaním odpadových vôd sa nemajú meniť prirodzené vlastnosti vody (fyzikálne, chemicky ani biologicky), voda má mať kvalitu, ktorá by vyhovovala potrebám zásobovania obyvateľstva a použitiu v priemyselne j a poľnohospodárskej výrobe.

Kvalitu vody v recipientoch nesmie narúšať vypúšťanie odpadových vôd:
· ak by sa zvýšil obsah suspendovaných látok a na hladine by sa tvorila pena, presahujúca 20% celkovej plochy hladiny
· alebo by sa vytvoril súvislý tukový film, príp. iné plávajúce látky v škodlivom rozsahu
· zvyšovala by sa alebo znižovala koncentrácia vodíkových iónov o viac ako jeden rád
· neprípustne by sa znižoval obsah kyslíka
· teplota vody by sa zmenila o viac 5 oC
· neprípustne by sa zmenilo zafarbenie vody.

Nie je dovolené vypúšťať do recipienta:
· vody z infekčných oddelení, výskumných a vyšetrovacích ústavov v oblasti humánnej a veterinárnej medicíny,
· ústavov na výrobu očkovacích látok,
· z jatiek,
· z garbiarní,
· z prania vlny,
· z výroby želatíny,
· bez kvalitného predčistenia, dostatočnej dezinfekcie a sterilizácie.

Faktory ovplyvňujúce kvalitu povrchových vôd v recipiente delíme na :

· objektívne - sú to predovšetkým prírodné podmienky v mieste vypúšťania odpadových vôd (vodnatosť recipienta, stupeň znečistenia v ňom a samočistiacu schopnosť recipienta). Od vodnatosti tokov závisí množstvo znečisťujúcich látok, ktoré možno doň vypúšťať. Ak podmienky v toku zabezpečujú dostatočné riedenie vypúšťaných odpadových vôd čistou riečnou vodou, v prípade ľahko rozložiteľných látok sa znečistenie odstráni na pomerne krátkom úseku toku. Vzhľadom na malú vodnatosť väčšiny tokov sú u nás zlé objektívne podmienky na zamedzenie postupujúceho znečisťovania tokov vplyvom vypúšťania odpadových vôd. Situáciu zhoršuje aj veľká nevyrovnanosť v prietokoch počas roka, hoci vybudované vodné nádrže pomáhajú vyrovnávať prietoky. Hlavne v letných obdobiach vznikajú havarijné situácie z deficitu kyslíka.
· subjektívne - množstvo privádzaných odpadových vôd, ich akosť a miera znečistenia. Akosť odpadových vôd je určená charakterom látok v nej obsiahnutých a v rozhodujúcej miere ovplyvňuje znečistenie toku. Mieru znečistenia odpadových vôd určuje miera (koncentrácia) jednotlivých látok v nich obsiahnutých.

Pri posudzovaní vplyvu vypúšťaných odpadových vôd na kvalitu vody v recipiente treba brať do úvahy samočistiacu schopnosť toku, zachovanie normálneho života rýb, vyžadovanú kvalitu vody v mieste najbližšieho užívateľa, škodlivosť vypúšťaných látok a perspektívny rozvoj určitej lokality.


Eutrofizácia povrchových vôd

S vypúšťaním odpadových vôd do povrchových je spojený veľmi závažný druh zhoršenia ich kvality - eutrofizácia. Mestské odpadové vody zbavené v čistiarni organických látok môžu byť svojím obsahom biogénnych prvkov dusíka a fosforu (najmä vo forme dusičnanov a fosforečnanov) príčinou masového rozmnoženia rias, siníc a rozsievok v povrchových najmä stojatých vodách (jazerá, vodné nádrže).

Významným zdrojom dusíka a fosforu v povrchových vodách sú aj splachy priemyselných, najmä dusíkatých a fosforečných hnojív z poľnohospodársky obrábaných plôch a zrážkové vody vplyvom znečistenia atmosféry.

Súbor prírodných, ako aj umelo vyvolaných procesov, ktorými sa zvyšujú anorganické živiny v stojatých a tečúcich povrchových vodách sa nazýva eutrofizácia. Ak sa nadmerný prísun dusíka a fosforu prejaví v zmene farby povrchovej vody, najčastejšie na zelenkastú, ide o vegetačné zafarbenie. Stav, keď sa riasy nahromadia vo veľkom množstve pri hladine sa označuje ako vodný kvet.

Eutrofizácia a s ňou spojený nadmerný rozvoj rias a ostatných vodných rastlín veľmi podstatne zhoršuje akosť vody. V spodných vrstvách vody, kde sa usadzujú odumreté organizmy, nastáva ich rozklad: vplyvom nadmerného zníženia koncentrácie kyslíka sa vytvárajú podmienky na anaeróbne procesy sprevádzané sekundárnym znečistením vody najmä sulfánom, amoniakom, železom a mangánom. po rozklade rastlinných tiel zlúčeniny fosforu a dusíka zostávajú vo vode a môžu znovu podporiť rast a rozmnožovanie rias.

Eutrofizácia okrem obsahu fosforu a dusíka vo vode závisí aj od prítomnosti organických látok a od foriem oxidu uhličitého vo vode. Nepriaznivo sa fosfor prejaví v koncentráciách rádovo stotinách mg.l-1, v prípade zlúčenín dusíka sú to koncentrácie rádove desatiny mg.l-1. Okrem prísunu živín stupeň eutrofizácie závisí aj od prietoku vody nádržou a od s ňou súvisiacou teplotnou stratifikáciou.

Zhoršujú sa"
· senzorické vlastnosti vody,
· niekedy sa tvoria toxické látky, čo má nepriaznivý vplyv na ostatné vodné organizmy, zvieratá a človeka,
· eutrofizáciou je postihnuté rybárstvo aj rekreačné využitie vodných nádrží,
· najväčšie problémy vznikajú, ak je eutrofizovaná vodná nádrž zdrojom pitnej vody. Úpravu tejto vody sťažuje prítomnosť rias, ktoré spôsobujú ťažkosti pri doprave vody a zapchávajú filtre. Takáto voda má aj nepríjemný pach, príchuť aj zafarbenie, ktoré sa pri úprave odstraňujú veľmi ťažko, v niektorých prípadoch sa nedajú odstrániť vôbec.

K zásahom proti vodnému kvetu patrí použitie algicídnych látok, najmä meďnatých a strieborných solí, chlóru, organických algicídov, nasadzovanie rastlinožravých rýb a iné. K preventívnym opatreniam patria:
· asanácia zatopených území,
· zatrávnenie a zalesnenie plôch v povodí,
· obmedzenie pri hnojení priemyselnými hnojivami,
· zabránenie úniku odpadov zo živočíšnej výroby,
· regulovanie priemyselnej činnosti a rekreačnej výstavy v povodí.

Významným príspevkom k ochrane povrchových vôd pred eutrofizáciu v budúcnosti bude rozšírenie používania terciárneho dočisťovania odpadových vôd po klasickom mechanicko-biologickom čistení.

Dusík sa odstraňuje predovšetkým týmito procesmi:
· anaeróbna (anoxická) denitrifikácia,
· elektrochemické čistenie,
· výmena iónov,
· adsorpcia,
· elektrodialýza,
· obrátená osmóza a iné.

Odstraňovanie fosforu:
· zrážaním chloridom železitým,
· síranom hlinitým a lebo hydroxidom vápenatým,
· ich kombináciou,
· biologické čistenie s akumuláciou fosforečnanov do aktivovaného kalu (baktérie Acinobacter), využíva sa tvorba málo rozpustných solí a adsorpcia na vytvorené hydroxidy.

Súčasťou všetkých opatrení musí byť neprestajná kontrola obsahu živín v akumulovanej voda, za prípustnú hranicu sa pokladá koncentrácia maximálne 0,02 mg.l-1 fosforu a 0,2 mg.l-1.



Samočistenie

Povrchné vody tečúce alebo stojaté, do ktorých boli vpustené odpadové vody, získavajú po určitom čase bez pričinenia človeka takmer svoju pôvodnú akosť - vyčistia sa. Samočistenie je súhrn prirodzene prebiehajúcich fyzikálnych, chemických, biologických a biochemických procesov, ktorými sa z povrchových vôd v prírode odstraňujú znečisťujúce látky.

Fyzikálne procesy sú:
· sedimentácia nerozpustených látok,
· odplavovanie usadenín pri veľkých vodách,
· prestup kyslíka zo vzduchu do vody,
· pri rozptyľovaní znečisťujúcich látok a kyslíka vo vode sa uplatňujú j difúzne pochody.

Chemické procesy sú:
Látky obsiahnuté v odpadových vodách reagujú s látkami obsiahnutými v riečnej vode. Dochádza k reakciám:
· neutralizačným,
· zrážacím,
· oxidačno-redukčným.

Biochemické a biologické procesy sú:

Procesy samočistenia sa uplatňujú najmä pri likvidácii organických látok, ktoré tvoria zväčša podstatnú časť znečistenia v povrchových vodách. Prítomné organické látky sú potravou pre nižšie i vyššie vodné organizmy. Prvým článkom reťazca sú najnižšie organizmy, ktorým organické látky slúžia ako zdroj energie a na výstavbu bunkovej látky. Tieto organizmy sú potom potravou vyšším organizmom. Súčasne vznikajú rozkladné procesy pri odumieraní organizmov. V prírodných podmienkach býva medzi týmito protichodnými procesmi rovnováha.

Uvedené deje sú zväčša aeróbne. Anaeróbne deje prebiehajú zvyčajne pri dne a v bahne. Produkty anaeróbneho rozkladu prechádzajú do vody a tam vstupujú do aeróbnych procesov, čím sekundárne a spotrebúvajú kyslík. Kyslík pre aeróbne procesy sa odčerpáva zo zásoby rozpusteného kyslíka vo vode. Pri vysokých požiadavkách na kyslík a obmedzenej intenzite dopĺňania tejto zásoby začína sa koncentrácia rozpusteného kyslíka znižovať, aeróbne procesy prestávajú prebiehať a začínajú sa uplatňovať procesy anaeróbne. Rovnováha vo vode a obeh látok je veľmi narušený.

Procesy samočistenia môžu teda prebiehať ako anaeróbne alebo aeróbne procesy. Pri anaeróbnych biologických procesoch, prebiehajúcich v neprítomnosti kyslíka, vytvárajú určité spoločenstvá organizmov, najmä baktérií, z organického hnilobného materiálu rozličné medziprodukty. Najdôležitejšími medziproduktami vznikajúcimi pri samočistení sú sulfán, amoniak, metán a nízkomolekulové mastné kyseliny. Rozklad bielkovín, tukov, sacharidov sa zakladá na biochemických procesoch, ktoré vyvolávajú mikroorganizmy svojimi exoenzýmami. Tieto redukčné procesy v porovnaní s oxidačnými vyžadujú dlhší čas a anaeróbny rozklad je sprevádzaný pachovými poruchami.

Pri rozklade hnilobných častíc sa môžu oxidačné a redukčné procesy striedať, alebo prebiehať súčasne.

Pri aeróbnych biologických procesoch samočistenia prebieha biochemický rozklad organických látok mikroorganizmami v prítomnosti kyslíka. Pri podmienkach, kedy sa spotrebovaný kyslík ihneď nahrádza v dostatočnom množstve nevznikajú medziprodukty, ktoré sú typické pre anaeróbne čistenie.

Sprostredkovateľmi oxidačného pôsobenia kyslíka na organické látky prítomné vo vodách sú najmä baktérie. Rozkladné pôsobenie baktérií sa prejaví na spotrebe kyslíka, ktorej veľkosť ovplyvňuje hodnotu deficitu kyslíka. Baktérie na svoj rozvoj potrebujú optimálnu teplotu, alkalitu, organické látka a kyslík. Niektoré baktérie môžu prijímať živé látky len v kvapalnej forme, iné môžu napádať aj tuhé látky. V odpadových vodách baktérie napádajú najmä bielkovinové látky, ktoré sú často v koloidnej forme. Baktérie sú citlivé najmä na teplotu, chemické vlastnosti vody a na pôsobenie ultrafialového žiarenia. Mnohé anorganické a organické chemikálie pôsobia na baktérie toxicky.

Faktory, ktoré podstatne ovplyvňujú samočistenie:
· množstvo a rozložiteľnosť znečisťujúcich látok,
· toxicita prítomných látok,
· teplota,
· kvalita a kvantita biologické osídlenia
· koncentrácia rozpusteného kyslíka,
· vodnatosť toku,
· rýchlosť vody,
· prietok,
· stupeň zriedenia nečistôt.

Pretože anaeróbne procesy sú nežiadúce pre znehodnocovanie vody a prostredia zapáchajúcimi rozkladnými produktami (sulfán, tioalkoholy), treba zabezpečiť v tokoch a v nádržiach podmienky pre priebeh aeróbnych procesov - voda musí obsahovať dostatočné množstvo rozpusteného kyslíka. Na podporu samočistiacej schopnosti sa preto v toku v čase sucha zvyšujú prietoky z akumulačných priestorov, prevzdušňovanie vody sa zlepšuje priečnymi stavbami (stupne, hate).

Potrebné zriedenie závisí od charakteru odpadovej vody: pre splaškové vody sa predpokladá 30 - 50 násobné riedenie vodou za dostatočné, rýchlosť vody má byť v rozsahu 0,6 - 0,4 m.s-1, aby sa vypúšťané nečistoty rýchlo premiešali s riečnou vodou. Po zriedení nasleduje samočistenie aj v stojatej vode.

Najdôležitejšími zdrojmi molekulového kyslíka je kyslík zo vzduchu nad vodnou hladinou a asimilačná schopnosť fytoplanktónu a zelených rastlín. Kyslík produkovaný asimiláciou zelených rastlín, najmä rias, závisí od denných a sezónnych faktorov, od množstva a charakteru znečistenia. Pri posudzovaní samočistiacej schopnosti toku sa preto ráta len s rozpúšťaním atmosférického kyslíka.

Rozklad organických látok nachádzajúcich sa vo vode ako znečistenie a ich mineralizácia sú spojené so spotrebúvaním kyslíka rozpusteného vo vode (krivka - závislosti spotreby kyslíka od času).

Kyslíkové pomery v toku v rozhodujúcej miere ovplyvňujú dve protichodné, v povrchových vodách súčasne prebiehajúce procesy: procesy reaerácie a proces biochemického rozkladu organických látok (dezoxygenizácia).

Od okamihu, kedy sa do povrchovej vody dostali látky, schopné sa aeróbne biochemicky rozkladať, začne koncentrácia kyslí vo vode zo začiatočnej hodnoty klesať t.j., deficit kyslíka sa zvyšuje. So zvýšením deficitu zväčšuje sa množstvo kyslíka, ktoré sa do vody dostáva prestupom cez vodnú hladinu - reaeráciu. V kritickom bode sa rýchlosť spotreby kyslíka a rýchlosť prestupu kyslíka z ovzdušia vyrovnávajú. Súradnice tohto bodu určujú kritický čas tk, pri ktorom je v povrchovej vode minimálne (kritická) koncentrácia rozpusteného kyslíka (deficit kyslíka má maximálnu hodnotu). Za kritickým bodom prevláda reaerácia nad dezoxygenizáciou. Koncentrácia kyslíka rozpusteného vo vode sa zvyšuje a po určitom čase sa blíži hodnote rovnovážnej koncentrácie. Uvedená závislosť sa nazýva kyslíková krivka. Ak poznáme priemernú rýchlosť vody v toku, znázorňuje táto krivka rozloženie koncentrácie kyslíka pozdĺž toku.

































Základné procesy v technológii úpravy vody a čistenia odpadových vôd

Počet, druh a zoradenie procesov do technologickej linky závisí od akosti vody na vstupe do nej, od vyžadovanej akosti upravenej a lebo vyčistenej vody a od ďalších faktorov. Výber procesov musí byť taký, aby sme vyžadovanú akosť vody dosiahli technicky, technologicky, ekonomicky a prevádzkovo jednoduchou technologickou linkou, pričom je úsilie do upravovanej alebo čistenej vody nevnášať ďalšie látky.

Z hľadiska podstaty javov rozdeľujeme technologické procesy úpravy vody a čistenia odpadových vôd od troch skupín:
· fyzikálne a fyzikálno-chemické (sedimentácia, cedenie, filtrácia, flotácia, adsorpcia, extrakcia, iónová výmena, membránové procesy, radiačnochemické procesy, odplynovanie a destilácia),
· chemické(neutralizácia, zrážanie, oxidácia, redukcia a spaľovanie),
· biologické procesy (aeróbne a anaeróbne).

I. FYZIKÁLNE A FYZIKÁLNO-CHEMICKÉ PROCESY

1. Sedimentácia

Sedimentácia patrí k najrozšírenejším separačným procesom v technológii vody. Separácia tuhých častíc vzniká vplyvom gravitácie. V praxi sa používa na separáciu častíc, ktorých sedimentačná rýchlosť je vyše 10-5 m.s-1. Z hľadiska sedimentácie je dôležitý charakter a koncentrácia suspenzie.

Podľa charakteru častíc rozoznávame v technológii vody zrnitú a vločkovitú suspenziu (kal).
Zrnitá suspenzia (kal) - pozostáva z častíc, ktoré nekoagulujú a majú konštantnú sedimentačnú rýchlosť.
Vločkovitá suspenzia (kal) - vytvárajú ju častice podliehajúce koagulácii s premenlivou sedimentačnou rýchlosťou, teda častice menia svoj tvar a hmotnosť.

Podľa koncentrácie suspenzie rozlišujeme:
· jednoduchú sedimentáciu - častice si zachovávajú individuálny charakter,
· rušenú sedimentáciu - vzniká pri objemovej koncentrácii častíc vyše 0,5 %, keď táto začína ovplyvňovať viskozitu a hustotu prostredia, čo sa prejavuje v sedimentačnej rýchlosti častíc a vzájomným ovplyvňovaním (rušením) pádu častíc, ale častica si ešte zachováva individuálny charakter,
· ďalším zvyšovaním koncentrácie prechádza suspenzia z rušenej sedimentácie do zahusťovania, častica stráca individuálny charakter, suspenzia klesá ako pórovitá vrstva, z ktorej sa vytláča kvapalina, je zreteľné rozhranie medzi vrstvou klesajúceho kalu a kvapalinou.

Pre individuálne častice platia vzťahy odvodené pre pád izolovanej častice v pokojnej a neobmedzenej kvapaline, pre zjednodušenie sa uvažuje ako pád gule. Pád gule v kvapaline je zapríčinený tiažou, ktorá dáva guli začiatočné zrýchlenie. pohybom gule sa vytvára odpor proti pohybu vyvolanému tiažou. Začiatočné zrýchlenie sa veľmi rýchlo zmenšuje, sily pôsobiace na guľu sa vyrovnávajú a táto klesá konštantnou rýchlosťou:







kde F je tiaž pôsobiaca na guľu v kvapalina (N),
F0 - odpor prostredia (N),
d - priemer gule (m),
g - tiažové zrýchlenie 9,81 m.s-2),
rč - špecifická hmotnosť gule (častice) (kg.m-3) ,
r - hustota kvapaliny (g.m-3) .

Pre odpor prostredia F0 boli odvodené rôzne rovnice podľa pohybu pádu častice. Tento sa obyčajne udáva Reynoldsovým číslom:


kde u - sedimentačná rýchlosť (m.s-1),
n - kinematická viskozita (m2.s-1),
h- dynamická viskozita kvapaliny (Pas).

Pre Re Ł0,1 až 0,2 a pre odpor prostredia F0 a viskozitou h platí vzťah:




Po úprave oboch rovníc dostávame Stokesov zákon na výpočet sedimentačnej rýchlosti:




Pre výpočet odporu pri vyšších Reynoldsových číslach (Re ł 0,1 až 0,.2) bolo odvodených množstvo vzťahov. Známe sú Oseenov Goldsteinove rovnice a i. Najvýhodnejšie je vyjadriť odpor prostredia (podľa Newtona) pomocou súčiniteľa odporu, ktorý závisí os Reynoldsovho čísla. Všeobecne platí: pri malých Reynoldsových číslach (tzv. Stokesova oblasť) je x » Re-1 a u » d2, pri veľkých Reynoldsových číslach (tzv. Newtonov oblasť) je x » const. a u » d1/2.

V technológii vody sa nestretávame s guľovitými časticami, ale s nepravidelnými zrnkami a vločkami. Vločky obsahujú mnoho vody a ich hustota býva v rozsahu 1 až 5 kg.m-3.Ak ide o sedimentáciu častíc neguľového tvaru, závisí súčiniteľ odporu x nielen od Reynoldsovho čísla, ale aj od tvaru častice. Vplyv tvaru sa obyčajne vyjadruje sféricitou. Sféricita j je pomer povrchu gule rovnakého objemu, aký má častica ku skutočnému povrchu častice. Vplyv tvaru častíc sa prejavuje až pri vyšších priemeroch, napr. pri piesku je to od d = 0,125 mm.

Pri sedimentácii suspendovaných látok pri úprave vody a čistení odpadových vôd sa stretávame s pádom množiny suspendovaných látok v ohraničenej kvapaline. Častice týchto látok majú rozličný charakter, veľkosť, tvar a zastúpenie jednotlivých veľkostných frakcií v suspenzii je konštantné. Pre výpočet sedimentačných nádrží, pri ktorých predpokladáme jednoduchú sedimentáciu, musíme poznať sedimentačnú charakteristiku suspenzie. Na jej určenie sa najviac rozšírili metódy založené na analýze suspenzie, ktorá sedimentuje v určitom stĺpci vody.

Všeobecne tieto metódy vychádzajú zo statických sedimentačných pokusov.

Pri objemovej koncentrácii častíc (suspenzie) vyše 0,5 % ovplyvňuje rýchlostné pole vytvorené okolo jednej častice rýchlostné pole susedných častíc. Preto pri väčších koncentráciách suspendovaných látok nahrádzame viskozitu a hustotu kvapaliny viskozitou a hustotou suspenzie. Pád častíc je pomalší, hoci čiastočne si zachovávajú svoj individuálny charakter, sedimentácia je rušená. Na výpočet sedimentačnej rýchlosti v oblasti malých Reynoldsových čísel sa obyčajne používa upravený Stokesov zákon, z ktorého vyplýva, že rýchlosť rušenej sedimentácie je funkciou objemovej koncentrácie.

Pri väčších koncentráciách častice strácajú svoj individuálny charakter a ich pohyb v smere tiaže obmedzuje prítomnosť susedných častíc, takže v horných vrstvách suspenzie sa nevytvára koncentračný gradient. Tým častice strácajú svoj individuálny charakter, sleduje sa celá vrstva kalu, ktorá klesá ako piest, čiže medzi kvapalinou a vrstvou kalu sa vytvára zreteľné rozhranie. Informácie o pomeroch v tejto vrstve získame zo zahusťovacieho pokusu.

Zahusťovací pokus sa robí v sklenených valcoch, kde možno dobre sledovať pokles rozhrania. Závislosť výšky rozhrania h od času t nazývame zahusťovacou krivkou. Na zahusťovacej krivky môžeme pozorovať niekoľko oblastí. Na začiatku je oblasť voľnej sedimentácie. Absolútna hodnota smernice priamky vyjadruje rýchlosť voľnej sedimentácie:






Na zahusťovacej krivke potom ešte rozoznávame deformačnú a kompresnú oblasť. tvar zahusťovacích kriviek býva rôzny, závisí od akosti kalu a od jeho začiatočnej koncentrácie. pri väčších koncentráciách suspendovaných látok môže vypadnúť oblasť voľnej sedimentácie, príp. deformačná oblasť.


1.1 Usadzovacie nádrže
Podľa druhu kalu:
· nádrže na zrnitý kal,
· nádrže na vločkovitý kal.

Podľa spôsobu prevádzky:
· nádrže s diskontinuálnou prevádzkou,
· nádrže s kontinuálnou prevádzkou.



Podľa smeru prietoku vody:
· horizontálne nádrže,
· vertikálne nádrže.

Podľa konštrukcie:
· axiálne - pozdĺže, obdĺžikový pôdorys
· radiálne - kruhové.

Usadzovacie nádrže v ČOV sú dvojakého druhu:
· primárne usadzovacie nádrže (odstránenie suspendovaných látok z odpadových vôd pred ich biologickým čistením),
· sekundárne usadzovacie nádrže (odstránenie kalových častí vznikajúcich pri biologickom čistení).

Pri navrhovaní usadzovacích nádrží sú dôležité tieto základné veličiny:
1. Usadzovacia rýchlosť (dá sa stanoviť usadzovacím pokusom alebo výpočtom).
2. Postupná prietoková rýchlosť (určuje sa podľa Re).

Horizontálne usadzovacie nádrže sa obvykle navrhujú na prietokovú rýchlosť 4-15 mm.s-1, pri ktorej charakter prúdenia môže byť laminárny, prechodný alebo turbulentný.
3. Čas zdržanie v nádrži. Obvykle sa nádrže dimenzujú na zdržanie maximálne 2 hodiny. Najintenzívnejšie usadzovanie prebieha v prvých 30 minútach.
4. Hĺbka usadzovacej nádrže. U horizontálnych býva 1,5 - 2,5 m, pričom hlbšie nádrže (až do 4 m) sú vhodné na vločkovitý kal a vyššie kapacity. Vertikálne usadzovacie nádrže sú aj hlbšie. Pomer hĺbky k dĺžke má byť najmenej 1:10.

Typy usadzovacích nádrží:
1. Lapáky piesku a štrku
Majú sa v nich zachytiť všetky anorganické častice. Pracujú na princípe zníženia prietokovej rýchlosti vody. Má to byť iba taká prietoková rýchlosť, aby sa usadzoval iba minerálny podiel suspenzie do veľkosti zŕn 0,1 až 0,2 mm. Môžu byť vertikálne alebo horizontálne.
· Komorový lapák - je príkladom horizontálneho lapáku piesku, používaný pre minerálne častice za predpokladu, že prietok je konštantný. Ak prietok kolíše, možno použiť aj viac lapákov vedľa seba.
· Horizontálny lapák piesku s konštantnou prietokovou rýchlosťou - na konci je prepadová clona, ktorá zmenšeným profilom vzdúva vodu v žľabe a zabezpečuje konštantnú prietokovú rýchlosť za rôznych stavov odpadových vôd.
· Lapáky piesku s vertikálnym prietokom - sú vytvorené priehlbinou so vstavanou nornou stenou v žľabe, ktorým preteká odpadová voda. Piesok z lapákov sa ťaží ručne alebo čerpadlami (mamutky).
2. Kontinuálne usadzovacie nádrže - sa delia:
· Pravouhlé usadzovacie nádrže s horizontálnym prietokom - zberný kalový priestor je tesne za vtokom odpadovej vody. Kal sa strojovo zhŕňa s miernym sklonom proti prúdu vody.
· Kruhové (radiálne) usadzovacie nádrže s horizontálnym prietokom - prítok odpadovej vody býva uprostred. Tým sa prietoková rýchlosť so zväčšujúcim sa prierezom zmenšuje. Priemer kruhových nádrží býva 5 - 60 m. Hĺbka v strede je 3 - 5 m. Čas prietoku sa volí v rozmedzí 1 -2 hodín. Kruhové nádrže sú menej účinné pre odpadové vody so zrnitým kalom, lebo majú kratšiu aktívnu dĺžku (polomer) ako nádrže s horizontálnym prietokom.
· V usadzovacích nádržiach s vertikálnym prietokom - stredným vtokovým valcom priteká voda ktorá obsahuje suspendované látky. Na konci valca mení voda smer pohybu o 180 0 a stúpa vertikálnou usadzovacou nádržou k odberovým žľabom.

Vertikálne nádrže zachytávajú čerstvý kal, ktorý sa po určitom čase odčerpáva do vyhnívacích nádrží..
· Lamelové usadzovacie nádrže - častica sa kĺže po lamele, čím sa skráti doba usadzovania.

Usadzovacie zariadenia môžu alebo nemusia byť súčasťou ČOV, avšak hrablice bývajú vždy.


2.Cedenie, mikrocedenie

Cedenie je najjednoduchší proces separácie látok zo suspenzie, pričom suspendované látky sa zachytávajú na hrabliciach alebo sitách, ktorých otvory sú menšie ako odstraňované látky. Zachytené látky sa neprestajne zhrabujú.

Mikrocedenie je druh mechanickej separácie, pri ktorej zachytávanie suspendovaných látok sa uskutočňuje ne povrchu a vnútri tenkého pletiva. Spočiatku sa suspendované látky zachytávajú cedením v póroch pletiva a s narastajúcou vrstvou zachytených látok prechádza cedenie vo filtráciu. postupným zanášaním sa odpor zväčšuje a stratová výška je funkciou množstva prefiltrovanej suspenzie.

Na cedenie sa používajú hrablice alebo sitá. Nečistoty zachytené na hrabliciach nazývame zhrabkami. Hrablice, prípadne iné zariadenia s podobným účinkom musia byť v každej čistiarni odpadových vôd, pretože chránia čerpadlá a technologické zariadenia. Sú to rošty z oceľových prútov ponorených šikmo do dopadovej vody, na ktorých sa zachytávajú nečistoty. Podľa svetlosti medzi prútmi môžu byť:
· hrubé ochranné hrablice so svetlosťou viac ako 6 cm,
· jemné - so svetlosťou menej ako 4 cm.
Podľa spôsobu stierania rozoznávame:
· ručne stierané hrablice,
· strojovo stierané hrablice.

Prietoková rýchlosť medzi hrablicami nemá presahovať 1 ms-1, aby sa nestrhávali zhrabky. 3. Filtrácia

Filtrácie je druh separácie určitých látok z vody pri prietoku cez filtračnú vrstvu. Filtračná vrstva je pórovité prostredie, ktoré vytvára zrnitý materiál alebo filtračná sieťovina. Podľa akosti filtrovanej kvapaliny, prípadne suspenzie a charakteru filtračného materiálu v technológii vody sa stretávame so štyrmi druhmi filtrácie:

1. Filtrácia čistých kvapalín cez vrstvu zrnitého materiálu (filtrácia na adsorpčné materiály, staršie druhy ionexov).

2. Filtrácia čistých kvapalín cez vrstvu zrnitého stlačiteľného materiálu s objemovými a iónovými zmenami (vzniká v ionexových filtroch).

3. Filtrácia málo koncentrovaných suspenzií cez vrstvu zrnitého materiálu. Čiastočky suspenzie sa zachytávajú na filtračnej vrstve a apostupne ju zanášajú (kolmatujú), čo spôsobuje zväčšovanie filtračného odporu. tento druh filtrácie sa používa pri úprave vôd a v poslednom čase aj pri dočisťovaní biologicky vyčistených odpadových vôd.

4. Filtrácia vysokokoncentrovaných suspenzií cez filtračné pletivo (tkaninu). Zachytené látky zo suspenzie samé vytvárajú na pletive filtračnú vrstvu, tzv. filtračný koláč, je rozšírená pri odvodňovaní kalu.

Pri filtrácii čistých kvapalín cez vrstvu zrnitého materiálu môžu vzniknúť dva prípady: prúdiaca kvapalina nezapríčiňuje pohyb zŕn vo vrstve (stabilná filtračná vrstva), alebo kvapalina prúdi proti smeru tiaže a jej rýchlosť je taká, že zrná nadnáša (fluidná vrstva).

Filtráciou málo koncentrovaných suspenzií cez vrstvu zrnitého materiálu sa suspendované častice z vody separujú. Proces separácie suspendovaných častíc filtráciou je veľmi zložitý, lebo separáciu ovplyvňuje viacero parametrov napr. filtračná rýchlosť vody a jej fyzikálne a chemické vlastnosti, ďalej koncentrácia, fyzikálno-chemické vlastnosti suspenzie, veľkosť, tvar a usporiadanie zŕn filtračnej vrstvy a jej výška, tlakový režim, konštrukcia a spôsob prevádzky filtrov.

Všeobecne rozoznávame vo vodárenstve pomalú filtráciu a rýchlofiltráciu.

1. Pomalá filtrácia je charakteristická biologickou blanou, ktorá sa vytvára z aeróbnych mikroorganizmov v hornej 1 -2 cm vrstve filtračného materiálu. Filtrácia a separácia suspendovaných látok je teda podmienená biologickými, fyzikálnymi a chemickými procesmi.

2. Rýchlofiltrácia je druh filtrácie koncentrovaných suspenzií, pričom suspenzie sa zachytávajú v celej vrstve zrnitého materiálu, ktorá sa postupne zanáša (kolmatuje). Zanesená vrstva sa regeneruje tak, že prúdom vody privádzanej zdola sa filtračný materiál expanduje a zachytené suspendované látky sa odplavia. Z praktického a teoretického hľadiska je teda rýchlofiltrácia cyklický proces, pozostávajú z dvoch cyklov - vlastná rýchlofiltrácia a pranie.

Pri filtrácii málo koncentrovaných suspenzií cez vrstvu zrnitého materiálu sa suspendované látky zachytávajú na zrnách. Zachytávanie spôsobuje tieto javy: mechanické cedenie, sedimentácia, adsorpcia a elektrostatické javy. Zachytávanie je podmienené transportom suspendovaných látok vnútri vrstvy. Na transport pôsobí sedimentácia látok, molekulová difúzia, prúdenie, napätie v rýchlostnom poli a iné javy. Mechanizmus rýchlofiltrácie je zložitý, existuje niekoľko matematických formulácií filtračného procesu pri súčasnej kolmatácii (Iwasaki a Stein, Minca, Ives a u nás Hereit).

Filtrácia vysokokoncentrovaných suspenzií cez filtračné pletivo sa najčastejšie používa na odvodňovanie kalov. Separácia suspendovaných látok z vody sa uskutočňuje na filtračnom pletive. Voda prechádza do filtrátu a suspendované látky zostávajú na filtračnom pletiva a vytvárajú filtračný koláč.

Špecifický filtračný odpor sa určuje pomocou rôznych laboratórnych aparatúr.

Parametre, ktoré charakterizujú filtráciu sú:
· povrchové a objemové zaťaženie (množstvo a vlastnosti suspenzie),
· tlaková strata,
· teplota vody (viskozita),
· hĺbka zanášania filtra,
· výška filtračnej náplne,
· čas trvania filtračného procesu.

Hlavné faktory umožňujúce zachytenie suspenzie na povrchu zŕn a v póroch náplne sú:
· merná hmotnosť častíc,
· molekulové adhezívne sily pôsobiace na povrchu zrna.

Rozmery filtračných zariadení, množstvo filtrátu získané za časovú jednotku a čas trvania filtrácie závisí od rýchlosti filtrácie a možno h určiť pomocou rýchlostných rovníc filtrácie. Ak za mieru rýchlosti filtrácie považujeme objem filtrátu (V) získaný za jednotku času pri filtrovaní cez jednotkovú plochu filtra, môžeme rýchlosť filtrácie vyjadriť vzťahom:





kde S - je plocha filtra,
u - priemerná rýchlosť filtrátu cez filter.

Pre filtráciu suspenzie, ktorá ne filtračnej prepážke vytvára filtračný koláč, platí vzťah ( Darcy, Kozeny, Carman):





kde Dp je strata tlaku pri prietoku kvapaliny vrstvou filtračného materiálu u filtračného koláča,
a- špecifický odpor koláča,
h - viskozita,
c - koncentrácia suspenzie,
Ve - fiktívny objem filtrátu, ktorý by pri filtrácii vytvoril filtračný koláč, majúci rovnaký odpor ako filtračná prepážka sama. Filtračnú rýchlosť teda môžeme ovplyvniť a, S alebo Dp. Filtráciu môžeme uskutočniť:
· pri konštantnom tlaku,
· konštantnou rýchlosťou,
· konštantným prírastkom tlaku v čase,
· s konštantnou hrúbkou filtračného koláča (premývanie filtračného koláča).

3.1 Typy filtračných zariadení

1. Pomalé filtre - hlavným čistiacim faktorom je biologická blana hrúbky 1,5 - 2 am, vytvárajúca sa na povrchu filtra, silne oživená aeróbnymi mikroorganizmami. Podmienkou tohto oživenia je prítomnosť kyslíka v pritekajúcej vode. Celkový čistiaci proces je daný fyzikálnymi, chemickými a biologickými procesmi. Musia sa regenerovať, nie sú vhodné pre vysokokoncentrované suspenzie. Používajú sa pre zásobovanie obyvateľstva menších obcí.
2. Rýchlofiltre - náplň je hrubozrnnejšia, filtračná rýchlosť je 4 - 7 m.h-1. Voda prúdi rýchlofiltrami samospádom alebo pod tlakom. · Otvorené rýchlofiltre - proces zachytávania čiastočiek sa odohráva vnútri náplne, regenerácia sa uskutočňuje spätným prúdom vody alebo vzduchu.
· Americké rýchlofiltre - zrnenie štrku sa volí odstupňovane zospodu, najmenšie zrná a usadzujú na povrchu vrstvy a väčšie sa postupne zoskupujú dolu.
· Európska filtre - majú hrubozrnnú náplň z kremičitého piesku, používajú sa na tzv. koagulačnú filtráciu (t.j. vynecháva sa separačný stupeň usadzováky alebo číriče) a suspenzie sú privádzané priamo na filter.
3. Tlakové rýchlofiltre - sú uzatvorené, podobná filtračná náplň ako u európskych filtrov.
4. Kalolisy - pretržite pracujúce.
5. Rotačné filtre.

4. Flotácia

V technológii vôd môžeme flotáciu definovať ako zväčša fyzikálnochemický proces separácie látok z vody, pričom tieto sú rôznymi spôsobmi vynášané na hladinu, z ktorej sa odstraňujú.

Flotácia sa často spája s inými procesmi (oxidácia, koagulácia) takže vyflotované látky sa zložením môžu líšiť od látok v prítoku od flotátora. Z hľadiska použiteľnosti a podstaty procesu rozoznávame flotáciu: prirodzenú, bublinkovú s mechanickým dispergovaním vzduchu, bublinkovú s uvoľňovaním plynov z roztoku, biologickú, chemickú, elektroflotáciu a iónovú.

Prirodzená flotácia (spontánna) je jednoduché vyplavovanie suspendovaných látok ľahších ako voda. Bublinková flotácia s mechanickým dispergovaním vzduchu je flotácia, kde sú látky vynášané väčšími bublinkami, ktoré vytvárajú mechanické, pneumatické aerátory a iné zariadenia. Bublinková flotácia s uvoľňovaním plynu z roztoku je flotácia, kde sa látky vynášajú jemnými bublinkami, ktoré vznikajú najčastejšie uvoľňovaním (najčastejšie vzduchu) z vody nasýtenej plynom. Táto flotácia môže byť tlaková - bublinky sa uvoľňujú z vody nasýtenej pod tlakom plynom, alebo podtlaková - plyn sa uvoľňuje pri podtlaku. Biologická flotácia využíva na separáciu plyn vznikajúci činnosťou mikroorganizmov. Chemická flotácia je fyzikálnochemický proces separácie látok, v ktorom vynášanie spôsobujú bublinky plynu, ktorý vzniká reakciou pridaných chemikálií. Elektroflotrácia je podobná chemickej, len zdrojom plynu je elektrolýza vody (bublinky vodíka v znečistenej vode stúpajú nahor). Iónová flotácia je nový druh flotácie určitých látok z veľmi zriedených roztokov, do ktorých sa pridávajú povrchovoaktívne látky s opačným nábojom ako ióny separovaných látok. Vzduchové bubliny adsorbujú pridávanú povrchovoaktívnu látku spolu s opačne nabitými iónmi a vytvárajú na hladine penu. Najpoužívanejšou je bublinková flotácia, najmä tlaková.

Flotácia sa požíva hlavne v závodoch na spracovanie olejov a tukov. Olejové a tukové čistočky vytvárajú so vzduchovými bublinami na hladine hrubú vrstvu peny. Po odstránení peny sa zychytený tuk alebo olej spracúvajú.

Flotácia môže byť podľa tlaku:
· tlaková (môže fungovať i bez koagulantov),
· vákuová - vodu nasýtenú vzduchom zbavíme plynu jeho odčerpaním, ak klesne p , musí klesnúť podľa vzťahu c = k.p aj koncentrácia plynu v kvapaline. Časticiam niekedy pomáhame chemickými činidlami, ktoré spôsobujú koaguláciu častíc. Koagulant spôsobuje vznik zárodkov koagulácie, flokulant zviaže častice do väčších celkov a vtedy vypláva nahor. Elektroflotácia bez prídavku chemických činidiel neexistuj, je investične a energeticky náročná.Flotát je to, čo vapláva na povrch. Niekedy flotátor býva vyplavený sedimentátorom (ak byniektoré častice klesali). Použitie: ŽOS, bitúnky, veterinárne stanice a pod.


5.

Adsorpcia

Ak uvedieme roztok (znečistenú vodu) do styku s inými tuhými látkami s veľkým povrchom pozorujeme, že koncentrácia roztoku sa zmenší. Tento jav sa nazýva adsorpcia. Na porchu totiž došlo k samovoľnému zväčšeniu koncentrácie látok. Látku, na povrchu ktorej dochádza k adsorpcii označujeme ako adsorbent, s látkou s ktorou sa adsorbovala - adsorbát. Rovnováha medzi roztokom a adsorbovanou vrstvou = adsorpčná rovnováha. Využitie adsorpcia ako separačného procesu v technológii vody sa zakladá na špecifickom pôsobení tuhej látky - adsorbenta na jednotlivé zložky v rozdeľovanej zmesi. Pri adsorpcii z roztokov sa môžu adsorbovať celé molekuly (molekulová adsorpcia) alebo prednostne jeden z prítomných iónov (iónová adsorpcia) prítomných v roztoku. Pri iónovej adsorpcii môže prebiehať aj iný dej - adsorbovaný ión sa nahrádza iným iónom uvoľneným z adsorbenta (výmenná adsorpcia), prípadne sa uskutočňuje hydrolýza (hydrolytická adsorpcia).

Za najvhodnejšie kvantitatívne vyjadrenie adsorpcie i-tej zložky z roztoku sa dnes pokladá tzv. zdanlivá adsorpcia. V technológii vody, kde ide najčastejšie zmes rôznych látok neznámeho zloženie je výhodné použiť výraz:





kde a - zdanlivá adsorpcia,
V- je začiatočný objem roztoku,
m - hmotnosť adsorbenta,
c0,c - sumárna koncentrácia zmesi látok s neznámym zložením v objemovej jednotka roztoku na začiatku a po dosiahnutí rovnováhy. Koncentrácie sa zvyčajne vyjadrujú použitím skupinových stanovení BSK, CHSK a pod.

Sily, ktoré pútajú adsorbát ne povrch adsorbenta, môžu byť rôzneho charakteru - fyzikálne a chemické. Fyzikálna adsorpcia je podmienená Van der Walsovými silami. Účinkom týchto síl sa molekuly oddeľovanej zložky koncentrujú pri povrchu adsorbenta, a tým sa zložka oddelí od ostatných zložiek zmesi. Je to reverzibilný proces, pri ktorom sa adsorbát nemení, takže ho možno desorpciou opätovne získať. Pri chemisorpcii sa uplatňujú niekoľkonásobne väčšie sily ako pri fyzikálnej adsorpcii, pričom vzniká oveľa pevnejšia väzba medzi adsorbentom a adsorbátom.

Rovnovážne množstvo naadsorbovanje látky pri konštantnej teplote závisí od koncentrácie adsorbátu v roztoku. Grafické vyjadrenie tejto závislosti sa nazýva adsorpčná izoterma. Adsorpčná izoterma je najčastejšie forma, ktorou sa zaznamenávajú údaje o adsorpcii: pri konštantnej teplote meriame adsorpciu pri rôznych koncentráciách.

Namerané adsorpčné izotermy sa analyticky najčastejšie vyjadrujú:
Freundlichovou izotermou:




KF - konštanta, závisiaca od druhu adsorbentu,
1/n - konštanta, závisiaca od teploty.

Langmuirovou izotermou
je odvodená z týchto zjednodušujúcich predpokladov:
· celý povrch tuhej fázy má rovnakúpovrchovú aktivitu,
· každé aktívne centrum môže viazať iba jednu molekulu,
· medzi adsorbovanými molekulami nadochádza k žiadnej interakcii,
· pri adsorpcii sa na povrchu vytvorí monomelekulová vrstva.






kde b = 1/B.

Konštanta b závisí i od teploty, a max zodpovedá hodnote adsorpcie pri vytvorenej nasýtenej monomolekulovej adsorpčnej vrstvy.
V oblasti nízkych tlakov sa adsorpčné izotermy vyjadrené podľa Langmiera a Feundlicha čiastočne kryjú, po zlogaritmovaní výrazu sa jednotlivé konštatnty stanovia graficky.
grafy Langmierovej a Feundlichovej adsorpčnej izotermy

Adsorpcia neprebieha v reálnych podmienkach podľa predpokladov, pri akých rovnice boli odvodené. Je to preto, lebo ide o zmesi látok s neznámym zložením, kedy koncentrácie sú vyjadrené skupinovým stanovením CHSK a BSK.

Adsorpcia patrí medzi progresívne procesy v technológii vody. Pri vlastnej adsorpcii sa nevnášajú do vody ďalšie látky, takže rozhodujúcou je regenerácia sorbentu. Ako sorbent sa používa aktívne uhlie (prírodný adsorbent), menej látky na podklade organických polymérov. Hoci väčšina organických molekúl sa ľahko adsorbuje na aktívne uhlie, látky s malou relatívnou molekulovou hmotnosťou alebo silno polárne látky sú ťažko odstrániteľné z vody. Vysoké hodnoty pH nepriaznivo ovplyvňujú adsorpciu, preto odpadovú vodu pred privádzaním na aktívne uhlie neutralizovať. So zvyšujúcou sa teplotou sa adsorpčná schopnosť adsorbenta sa znižuje.

V technológii vody sa používa práškové i granulované aktívne uhlie. Adsorbér s aktívnym uhlím sa zaradí do tej časti technologickej linky, kde voda bola už očistená od suspendovaných látok, čiže za pieskový filter. Pred privádzaním do adsorbéra suspendované látky musia byť z vody úplne odstránené. Okrem aktívneho uhlia sú vhodné aj nové typy adsorbentov na podklade polymérov, ktoré majú selektívne adsorpčné účinky a ich regenerácia sa uskutočňuje rozpúšťadlami. 6. Čírenie

Čírením sa nazýva odstraňovanie jemných až koloidne dispergovaných častíc spôsobujúcich zákal a farbu vody. Fyzikálnochemický proces - koagulácia je zhlukovanie dispergovaných častíc do väčších celkov. Takto vzniknutá hrubodisperzná sústava je kineticky nestála a dochádza k vypadávaniu vločiek a k ich sedimentácii. Pri čírení sa využíva poznatok, že koloidné látky sa dobre adsorbujú na čerstvo vytvorených vločkách hydroxidu železitého alebo hlinitého. Tieto vločky majú takú veľkosť, že ich možno odstrániť filtráciou alebo usadzovaním.

Podľa veľkosti dispergovaných častíc sa disperzné sústavy rozdeľujú na:
· analytické - tvorené čiastočkami amikroskopiských rozmerov ( 1nm, opticky nie sú pozorovateľné),
· koloidné - tvorené čiastočkami submikroskopiských rozmerov ( 1nm až 1 mm),
· hrubodisperzné -(1nm) - tvorené čiastočkami, ktoré majú makroskopické alebo mikroskopické rozmery, možno ich pozorovať voľným okom alebo mikroskopom, sú odstrániteľné sedimentáciou.

V povrchových a odpadových vodách sa vyskytujú všetky tri druhy disperzií.

Hrubodispergované častice sa odstraňujú sedimentáciou a častice koloidne dispergované čírením, pričom sa využíva ich schopnosť koagulovať.

Koloidné sústavy ako prechodné systémy majú vlastnosti analytických i hrubodisperzných sústav. Sústavy koloidov s vlastnosťami jednofázových sústav sa nazývajú molekulové koloidy, s vlastnosťami viacfázových sústav fázové koloidy. Prechodom medzi nimi sú polokoloidy.

V koloidne dispergovaných sústavách sa nachádzajú zložité útvary, tzv. micely, ktoré vznikajú vplyvom adsorpčných javov. Micely sú zložené z jadra a obalovej sféry. Jadro môže tvoriť jeden kryštálik koloidnyých rozmerov alebo častejšie agregát kryštálikov.

Ako príklad uvedieme štruktúru micely fázového koloidu AgI. Jadro koloidnej častice tvorí mikrokryštál AgI. Selektívnou adsorpciou iónov na povrchu mikrokryštálu sa vytvára okolo jadra vnútorná iónová vrstva. V našom prípade sa môžu adsorbovať alebo ióny Ag+alebo I- v závislosti od toho, ktorých iónov je v roztoku nadbytok. Vnútorná iónová vrstva udelí kolidnému jadru elektrický náboj, ktorý podľa podmienok vzniku môže byť kladný alebo záporný. Vnútorná iónová vrstva priťahuje elektrostatickými a adsorpčnými silami opačne nabité ióny, ktoré potm vytvárajú vonkajšiu vrstvu. Tá svojím nábojom do istej miery neutralizuje náboj vnútornej vrstvy. Vzniknutý útvar zložený z dvoch opačne nabitých vrstiev pripomína kondenzátora preto sa volá elektrická dvojvrstva.

Štruktúra micely fázového koloidu AgI stabilizovaného iónmi Ag+ vo vnútornej vrstve možno vyjadriť:

[(AgI)m. Ag+. (n-y)NO3]y+NO3-
Kladný náboj častice (y+) je neutralizovaný iónmi y- iónmi NO3-.
Obr.: Štruktúra micely fázového koloidu

Fyzikánu a, fyzikálnochemickú a matematickú charakteristiku elektrickej dvojvrstvy popisuje Sternov model. Potemciálový rozdiel medzi vrstvou iónov pevne lipnúcich na povrchu častice (nabíjajúce ióny) a ľubovoľným miestom priľahlej vrstvy kvapalnej fázy je potenciál x (dzeta)- elektrokinetický potenciál.

Druh koloidných častíc a zloženie disperzného média (kvapaliny) určuje náboj koloidných častíc danej povrchovej alebo odpaodvej vode. T.j. pri rovnovážnych podmienkach v určitej suspenzii sa nachádzajú iba častice s rovnakým elektrickým nábojom. Elektrický náboj nahromadený na povrchu čiastočiek zabezpečí taký postupný prechod medzi dispergovanými časticami a disperzným prostredím, ktorý je schopný kompenzovať vplyv gravitačnej sily na vznášajúce sa častice Pretože súhlasne nabité častice sa vzájomne odpudzujú- zrejmá je ich veľká stabilita - neschopnosť koagulovať.

Veľkosť elektrického náboja na povrchu koloidných častíc je charkteristická pre stabilitu disperzných sústav.

Štúdium dzeta potenciálu vie preto poskytnúť informácie o stabilite disperzného systému. Pri potenciáloch nad 40 mv je koloidná častica stála, pod 30 mV nastáva pomalá koagulácia a pri hodnotách okolo 0 mV rýchla koagulácia.

Relatívnu stálosť koloidných častíc spôsobuje okrem dzeta potenciálu aj vrstva vody viazaná na povrch častice adsorpciou (hydratačná vrstva),, príp. ochranný koloid viazaný na povrch micely.

Koagulácia sa teda môže vyvolať znížením dzeta potenciálu, čo sa dosiahne pridaním iónov s opačným nábojom, ako majú ióny nabíjajúcej vrstvy, miešaním, úpravou pH. Účinok opačne nabitých iónov sa zväčšuje s ich mocenstvom. Dvojmocné ióny sú 50 - 60 krát a trojmocné 700 - 1000 krát účinnejšie ako jednomocné. Viacmocné ióny Al3+, Th4+ môžu zmeniť aj znamienko dzeta potenciálu. Hydratačná vrstva sa najčastejšie odstraňuje pridaním hydrofóbneho koloidu.

Koagulačné činidlá

Ako koagulačné činidlá sa používajú soli hliníka a železa :
· síran železnatý FeSO4. 7H2O,
· chlorid železitý FeCl3. 6H2O,
· chlorsíran železitý FeClSO4, síran hlinitý Al2(SO4)3. 18H2O,
· chlorid hlinitý AlCl3. Tieto činidlá pridaním do vody vytvárajú príslušné hydroxidy:





Rovnice sú však zjednodušené a nevystihujú skutočný priebeh reakcie, pretože hydrolýza koagulantov prebieha postupne. Na koagulácii sa zúčastňujú aj produkty čiastočnej hydrolýzy, hydroxokomplexy, kým produkty dokončenej hydrolýzy sú prakticky bez náboja. Kyseliny vzniknuté hydrolýzou koagulantov sa neutralizujú prirodzenou alkalitou vody alebo prídavkom hydroxidu vápenatého alebo uhličitanu sodného.

Podľa pH, pri ktorm sa uskutočňuje čírenie rozoznávame čírenie:
· kyslé (nepridáva sa zásada),
· neutrálne (okrem koagulantu sa práva ja zásada napr. hydroxid vápenatý),
· alkalické (pH 9,5 až 10 - okrem príslušného kovu a hydroxidu koagulantu sa zráža aj CaCO3).

Vytvorenie dobra sedimentujúcich vločiek si vyžaduje vytvorenie optimálneho pH (od 4 do 11):
železité soli vhodnejšie na neutrálne a alkalické čírenie,
hydroxid hlinitý má o niečo nižšie optimálne pH, lebo v kyslom prostredí je rozpustnejší ako Fe(OH)3, v alkalickom prostredí vytvára hlinitany.

Na rýchlosť narastania vločiek má vplyv aj teplota:
15 - 20 oC - vločkovanie dobé,
pri teplote menej ako 10 oC vločky sú malé a zle filtrovateľné.

Rýchlosť narastania vločiek a ich filtrovateľnosť môže priaznivo ovplyvniť prídavok pomocných koagulačných činidiel zvyšujúcich vplyv primárneho koagulantu. Sú to najmä organické polyméry ( tzv. polyelektrolyty resp.

polymérne flokulanty), ktoré vo vodnom prostredí disociujú a tvoria rôzne nabité čas makroióny. Podľa náboja makroiónu sa rozdeľujú na neiónové - bez náboja na polymérnom reťazci (polyvinylalkohol, polyetalénoxid), a iónové - vytvárajú vo vode vysokomolekulový polyvalentný ión pri veľkom množszve jednoduchých iónov. Môžu byť aniónové (polyakryláty), katiónové (na podklade polyetyléimínu), zmiešané (hydrolyzovaný polyakralamid).

Aglomeráciou malých častíc polyektrolytov sa vločky zväčšujú, zväčšuje sa ich odolnosť voči šmykovému napätiu. Je to výhodné pri usadzovaní, čírení vločkovým mrakom rýchlej filtrácii a pri strojovom odvodňovaní kalu. Podľa druha zákalu a znečistenia možno voliť optimálny výber polymérnych prostriedkov, vždy je nevyhnutné uskutočniť prevádzkové a poloprevádzkové skúšky na zistenie druhu a množstva koagulantu.

Vlastný proces koagulácie má dve fázy:
1. perikinetická koagulácia - rýchlym zmiešaním vody s dávkovaným činidlom sa koagulant rovnomerne rozptýli v objeme vody ( niekoľko sekúnd), - tvoria sa mikrovločky (do 5 mm) - častice nemajú na elektrostatické náboje vplyv,
2. ortokinetická koagulácia - pri pomalom miešaní (vločky veľkosti od 0,5 mm do 0,6 mm), dajú sa z vody odstrániť mechanicky. Proces tvorby veľkých vločiek z malých sa označuje flokulácia. Táto fáza koagulácie sa uskutočňuje počas miernej turbulencie. Vločkovací proces trvá zvyčajne 10 až 20 minút, výnimočne 60 minút.

Miešací a koagulačný (flokulačný) proces pri čírení prebieha v osobitných oddelených priestoroch. Tieto priestory sú obyčajne priradené k sedimentačnej nádrži, s ktorou tvoria jeden technologický celok. Číriče môžu mať rôzne funkčné usporiadanie - s horizontálnym a vertikálnym prietokom, pravouhlé i kruhové, s cirkuláciou kalu, kontinuálne i prietokové. V technológii vody sa často používajú číriče s vločkovým mrakom.





7. Extrakcia

Extrakcia je difúzny proces, pri ktorej sa vody, z ktorej treba oddeliť nejakú zložku uvedie do styku s inou kvapalinou - rozpúšťadlom (extrahovadlom), kde sa oddelená zložka lepšie rozpúšťa ako ostatné zložky upravenej prípadne čistenej vody. Podmienkou úspešného oddelenia extrahovanej zložky je nerozpustnosť resp. čo najmenšia rozpustnosť pôvodného rozpúšťadla v novom rozpúšťadle (extradhovadle).Keď je pri extrakcii rozpúšťadlo v styku so spracúvanou vodou, nasycuje sa vplyvom difúzie zložkou, ktorá je v ňom nerozpustená, pretože je v ňom obsiahnutá v nižšej koncentrácii.

Proces prebieha do rovnovážneho stavu systému.

Výsledkom extrakcie je vznik extraktu (fáza obsahujúca extrahovanú zložku a extrahovadlo) a rafinátu (fázy obsahujúca zvyšok nevyextrahovanej zložky a pôvodné rozpúšťadlo). Pomer koncentrácií oddeľovanej zložky v extrahovadle (cextr) a v odpadovej vode (codpad.v.) je určený rozdeľovacím zákonom:





kde K je rozdeľovací koeficient.

Pri extrakcii má byť:
· hnacia sila t.j. rozdiel koncentrácií čo najväčší (dá sa zvyšovať veľkým množstvom extrahovadla resp. protiprúdovým usporiadaním procesu),
· rýchlosť pohybu fáz čo najväčšia, aby sa zmenšila hrúbka filmu na fázovom rozhraní,
· čas kontaktu optimálny, aby sa dosiahol maximálny výťažok daný rozdeľovacím zákonom.

Najjednoduchším typom extrakčného zariadenia - valcovitá nádoba s miešadlom (extraktor), do ktorej sa privedie odpadová voda a extrahovadlo, zmes sa dokonale premieša a nechá sa v tej istej alebo separátnej nádobe usadiť, čím sa oddelí extrakt a rafinát. Viacnásobná extrakcia si vyžaduje dve nádoby miešač a usadzovač. Zmes sa po premiešaní čerpá do usadzovača, rafinát sa po oddelení extraktu prečerpá do miešača a opäť sa extrahuje a novým podielom čerstvého extrahovadla (výhodnejšie nepretržité zariadenie s protiprúdovým tokom - odpadová voda sa nepretržite privádza do hornej časti kolóny a extrahovadlo do dolnej časti, kvapaliny postupujú proti sebe, kolóna je vyplnená Raschigovými krúžkami alebo Berlovými sedielkami).

Extrakcia sa pri čistení odpadových vôd požíva alebo na odstránenie niektorých toxických látok, alebo na získanie dôležitých surovín z niektorých priemyselných odpadových vôd. Napr. na odstraňovanie fenolov z odpadových vôd sa uplatnili benzén, diizoprpylén, butylatcatát a chlorid uhličitý. Benzén má nízky rozdeľovací koeficient 2,9 pre jednomocné fenoly a 0,5 pre dvojmocné fenoly. Napriek nízkemu rozdeľovaciemu koeficientu je benzén najviac rozšírený v koksovniach a v plynárňach. Extrakcia je proces pomerne drahý.



8. Odstreďovanie

Využíva sa účinok odstredivej sily. Je to výhodný spôsob na separáciu dvoch kvapalín, kvpaliny a tuhej látka resp. aj na separáciu dvoch kvapalín a tuhej látky, pričom kvapaliny musia byť navzájom nemiešateľné a musia mať rozdielnu hustotu. Tento proces separácia sa používa predovšetkým vtedy, ak sa jedná o jemné suspenzie, ktoé by sa v usadzovacích nádržiach usadzovali iba veľmi pomaly resp. vôbec.

Odstaredivka je v podstate valcovitá nádoba (pri čistení odpadových vôd skôr kónická), ktorá sa rýchlo otáča okolo svojej osi.

Rotačným pohybom odstredivky sa uvádza do krúživého pohybu aj náplň v odstredivke a účinkom odstredivej sily dochádza k separácii fáz, pričom materiál s menšou hustotou sa umiestňuje bližšie k osi otáčania a materiál s hustotou väčšou ďalej od osi otáčania. Intenzita oddeľovania závisí od dodstredivej sily, ktorá je daná vzťahom:






kde r - je polomer otáčania,
w - je uhlová rýchlosť,
n - je počet otáčok za minútu,
u - obvodová rýchlosť otáčania.

Pri zahusťovaní kalov rotor odstredivky uvedie odpadovú vodu do rotačného pohybu a hustejší materiál je vymršťovaný na obvodový plášť. Obvodový plášť je kónický a zachytené kaly sú kontinuálne transportované šnekom do zužujúcej sa časti a vypadávajú na transportný pás alebo do podstaveného vozidla.

Hydrocyklón - je to vpodstate vertikálna valcovitá nádoba, ktorá v spodnej časti sa mierne zužuje. Do valca sa odpadová voda vháňa tangenciálne, čím je zabezpečený rotačný pohyb vody po špirále. Pri otáčavom pohybe pôsobí na tuhé častice väčšia odstredivá sila než na častice vody, preto sa od prúdu vody oddeľujú a koncentrujú sa v blízkosti stien, kým voda prúdi bližšie k osi otáčania. voda sa odvádza v osi smerom hore, kaly stekajú po stenách strmého kužeľa. Môžu sa zoradiť aj do batérií.

Používajú sa na triedenie, zahusťaovanie i odkalovanie. majú význam pri oddeľovaní malých kalových častíc z pracích vôd. Môžu nahradiť usadzovacie nádrže i zahusťovače.


9. Destilácia

Je to separačný proces, pri ktorom sa oddeľujú navzájom zložky kvapalných homogénnych zmesí na základe rozdielnej prchavosti. používa sa na odsoľovanie vôd a na odstraňovanie znečisťujúcich látok v odpadových vodách.

Destiláciou sa dajú z odpadových vôd oddeliť také kvapalné látky, ktoré majú pri rovnakom tlaku rozdielne teploty varu s výnimkou kvapalín tvoriacich azeotropické zmesi.

Jednoduchá destilácia - je jednostupňové čiastočné odparovanie kvapalnej zmesi pri teplote varu. (používa sa pri odsoľovaní vody, voda sa odparuje, kvapalný zvyšok sa obohacuje soľami). Destilácia s vodnou parou - zakladá sa na tom, že niektoré látky majúce vyššiu teplotu varu ako voda sú pri 100 0C také prchavé, že sa strhávajú vodnou parou a po ochladení kondenzujú. keďže látky prchajúce s vodnou parou sú vo vode nerozpustné, možno destiláciu využiť na oddelnie znečisťujúcich látok s vysokou teplotu varu. Destilácia prebieha v destilačných klónach, v ktorých odpaovou vodou prebubláva prúd nasýtenej alebo prehraitej pary. Para z destilačnej kolóny vstupuje do absorpčnej kolóny a v naj sa zychytia látky, ktoré z odpadovrej vody prešli do pary a to vo vhodnom chemickom činidkle.

Destilácia v prúde plynov - funkciu bubliniek nahrádzajú bublinky pomocného destilačného média(napr.

dymové plyny, vykurovacue plyny), do ktorých difundujú pary destilovanej kvapaliny. Difúzia prebieha dovtedy, kýmtlak pár destilovanej kvapaliny nedosiahne v bublinkách destilačného média hodnotu tlaku nasýtených pár. Vypudené zložky sa spaľujú alebo zachtia na ďalšie použitie. Používa sa pri čistení odpaodvých vôd chemického a petrochemického priemyslu a pri výrobe buničiny.

Azeotropická destilácia - do kvapalnej zmesi sa pridá kvapaliny, ktorá s jednou zložkou v prítomnej zmesi vytvorí azeotropickú zmesdestilujúcu pri konštantnej teplote varu.


10. Iónová výmena

Pri iónovej výmene sa využíva schopnosť niektorých látok vymeniť ióny z vlastných molekúl za ióny z roztokov, ktoré cez ne pretekajú. Ionexy sú nerozpustné vysokomolekulové látky, obsahujúce ionizovateľné skupiny. Chemickým zložením môžu byť anorganické (zeoloity), alebo organické (fenolformaldehydové polykondenzáty, polystyrén-divinylbenzénové kopolyméry a pod). Môžu byť prirodzené alebo synteticky pripravené. Podľa funkčnej schopnosti ich rozdeľuje na vymieňače katiónov katexy a vymieňače aniónov - anexy. Podľa disociačnej schopnosti sa delia na veľmi, stredne alebo slabo kyslé (zásadité).

Katexy sú v podstate polyvelentné nerozpustné kyeliny, ktoré majú kyslé funkčné skupiny so záporným elektrickým nábojom (napr. -SO3H, -COOH a fenolová skupina -OH). Výmenu katiónov možno schématicky znázorniť:

SO3 -H+ + NH4+ SO3 - NH4+ + H+


SO3 - NH4 + + Na+ SO3 - Na+ + NH4+

Anexy sú organické polyvalentné zásady, ktoré majú zásadité funkčné skupiny s klaným elektrickým nábojom (napr. -N+R3, -[NHR], -[NH2] a iné). Výmenu aniónu môžeme schematicky znázorniť:


NH3+OH- + CH3COO- NH3+ CH3COO- + OH-


NH3+ CH3COO- + H+Cl- NH3Cl- + CH3COO-H+


Mimofunkčný ionex obsahuje iba jediný druh funkčných skupín, polyfunkčné ionexy obsahujú niekoľko rozličných funkčných skupín. Osobitným tipom sú amorfné ionexy, ktoré obsahujú súčasne kyslé aj zásadité funkčné skupiny. Selektívne ionexy umožňujú výmenu iba určitého druhu iónu.

Vonkajšia forma ionexov je rôzna :
- forma guliek
- forma drviny
- vlákien
- rúrok
- membrán.

Iónová výmena sa uskutočňuje zväčša kolónovým (dynamickým) spôsobom, roztok preteká kolónou naplnenou zrnitým ionexom.

Pracovný cyklus ionexu pozostáva zo štyroch operácií:
1. Sorpčná fáza - v tejto fáze sa uskutočňuje vlastná iónová výmena
2. Pranie ionexu - slúži na skyprenie vrstvy, ktorá bola v sorpčnej fáze stlačená prietokom roztoku. Nakyprenie umožňuje rovnomerné rozdelenie regeneračného roztoku pri regenerácii.
3. Regenerácia - uskutočňuje sa elúcia zachytených iónov a súčasne opätovné prevedenie ionaxu do pracovnej formy, pomocou regeneračného činidla. Pri regeenrácii sa obnovuje vyčerpaná schopnosť ionexu.
4. Vymývanie - premývanie kolóny s vodou, čím sa odstraňuje regeneračnéí činidlo.

Hlavné prevádzkové parametra ionexových kolón (filtrov):
- množstvo ionexu náplne M (m3),
- výška vrstvy ionexu v kolóne h (m) - 0,8 -2 m a vyššia,
- rýchlosť prietoku vody cez prierez prázdnej kolóny- zvyčajne 15 - 30 m.h-1,
- výkon ionexovej kolóny: menovitý (t.h-1),
užitočný (t) = celkové množstvo upravenej alebo vyčistenej vody v jednej sorpčnej fáze,
- špecifické zaťaženie ionexu = množstvo vody(t) upravenej 1 m3ionexu za hodinu (t.m-3.h-1)
- užitočná kapacita - výmenná schopnosť ionexu (mol.l-1) - počet ekvivalentov iónov zachytených jednotkovým objemom ionexu v priebehu jednej sorpčnej fázy pri určených pracovných podmienkach,
- celková kapacita ionexu - vyjadruje celkový počet funkčných skupín v jednotkovom objeme ionexu (niekedy sa vyjadruje aj na hmotnostnom základe mmol.g-1),
- pracia rýchlosť (m.h-1)) - rýchlosť vody pri praní, ktorá spôsobí čiastočné vznášanie zrniek ionexu a tým zväčšenie vrstvy o 500 - 50%,
- regeneračný čas (h) - čas, za ktorý má byť regeneračný roztok v styku s regenerovaným ionexom (pre katexy 30 -50 minút, anexy majú časy dlhšie),
- špecifická spotreba regeneračného činidla (g.l-1) - množstvo regenerátora použité na regeneráciu 1 l ionexu. 11. Membránové separačné procesy


Patria do skupiny difúznych procesov, kde sa oddeľovanie uskutočňuje na základe selektívnej priepustnosti membrány. Separačný účinok sa zakladá na rozličnom mechanizme elementárnych dejov, ako sú filtrácia na úrovni molekúl (ultafiltrácia, obrátená osmóza), rozpúšťanie alebo reakcia jednej zložky separovanej zmesi v membráne, ktorá potom difunduje membránou do druhej fázy (pertrakcia), priťahovanie a odpudzovanie jednotlivých zložiek membránou (elektrodialýza) apod. Z membránových procesov technológii úpravy a čistenia vody sa najviac uplatňuje elektrodialýza, obrátená osmóza a ultrafiltrácia. Používajú sa predovšetkým na odsoľovanie vody, ako aj na čistenie niektorých odpadových vôd.

Pre všetky membránové procesy je dôležitá predúprava surovej, upravovanej resp. čistenej vody.

Jej cieľom je odstránenie koloidných a suspendovaných látok, zabránenie vzniku zrazenín v zariadeniach a na membránach. Používajú sa bežné upravárenské postupy – dávkovanie chemikálií, aby sa pH vstupných vôd upravilo na príslušnú hodnotu, filtrácia, čírenie a pod.

Tab. Charakteristika bežných membránovýh separčných postupov

Membránový separčný proces Hnacia sila Tok
Osmóza rozdiel koncentrácií rozpúšťadla
Obrátená osmóza rozdiel tlakov rozpúšťadla
Ultarfiltrácia rozdiel tlakov
Elektroosmóza EMN rozpúšťadla
Dialýza rozdiel koncentrácií rozpustenej látky
Elektrodialýza EMN iónov elektrolytu

11.1 Obrátená osmóza


Prenikanie molekúl rozpúšťadla cez polopriepustnú(semipermeabilnú) blanu do roztoku sa nazýva osmóza. Tlak, kompenzujúci silu, ktorou molekuly rozpúšťadla prenikajú do roztoku rpi osmóze = osmotický tlak (p). Pre osmotický tlak platí aj van´t Hoffova rovnica:





kde R e plynová konštanta (J..K-1.kmol-1),
T – absolútna teplota (K),
C – koncentrácia roztoku (kmol.m-3),
I – počet častíc, vzniknutých disociáciou elektrolytu.


Obrázok - obrátená osmóza

Ak je vonkajší tlak na roztok väčší ako osmotický tlak (p>p), rozpúšťadlo sa naopak vytláča z roztoku cez membránu. Tento proces nazývame obrátenou (reverznou) osmózou.
Požiadavky na membránu:
· Vhodná separčná účinnosť,
· Vysoká permeabilita,
· dostatočná životnosť.

Pri obrátenej osmóze sa používajú najmä polopriepustné membrány z acetátu celulózy a z aromatických polyamidov. Čím vyššia je solnosť vody, tým vyšší prevádzkový tlak si vyžaduje.

Základnou súčasťou zariadenia na obrátenú osmózu je modul. V moduloch je umiestnený maximálny počet membrán do minimálneho priestoru tak, aby membrány mohli byť vystavené tlaku niekoľko MPa. So zvyšovaním počtu modulov možno ľubovoľne meniť kapacitu zariadenia. Modul môže byt tvorený plochými membránami (platňami) upevnenými na rám, dvoma špirálovito stočenými plochými membránami, medzi ktorými je pórovitý nosič (špirálový modul), membránou uloženou na vnútornom povrchu pórovitej rúrky, do ktorej sa zavádza surová voda a čistá voda sa odvádza otvormi na povrchu (tubulárny modul), alebo veľkým počtom dutých vlákien zaliatych do pórovitej látky- surová voda sa zavádza dovnútra vlákien a ich stenami prechádza vyčistená voda. Prvé tri moduly sú zväčša vyhotovené z acetátu celulózy a posledný z polyamidu. Životnosť celulózových membrán je 2 – 3 roky, polyamidových 5 rokov.

Membrány treba chrániť pred poškodením alebo zanesením koloidnými a suspendovanými látkami.

Technika obrátenej osmózy, hoci bola vyvinutá v procesoch odsoľovania morskej vody, pre nákladnosť sa využíva iba obmedzene. Relatívne často sa používa na odsoľovanie vôd s menším obsahom solí (braktických vôd). Metóda obrátenej osmózy samotná alebo v kombinácii s ionexami sa neprestajne viac uplatňuje pri čistení odpadových vôd. Pri procese nevznikajú nijaké chemické zmeny, možno ju použiť aj na získanie cenných látok z odpadových vôd.

11.2 Ultafiltrácia

Filtrácia cez membrány s priemerom pórov na úrovni molekúl makromolekulových látok ( 2 – 104 nm) sa nazýva ultrafiltráciou. Membrány neprepustia látky a relatívnou molekulovou hmotnosřou1200 až 200 000. Membrány sú z prirodzených (celulóza), alebo umelých (PVC, teflon) makromolekulových látok. Takto možno z vody separovať baktérie, víry, proteíny, pigmenty. Priebeh ultrafiltrácie sa urýchľuje rozdielom tlakov. Tento tlakový rozdiel možno vytvoriť odsávaním pod filtrom (vákuová filtrácia, alebo pôsobením vonkajšieho tlaku na filtrovaný roztok (tlaková filtrácia). Použitý pracovný tlak nepresahuje 0,5 MPa.

11.3 Elektrodialýza

Vplyvom koncentračného gradientu na obidvoch stranách polopriepustnej membrány prechádzajú cez ňu zložky, ktorých molekuly sú menšie, ako je priemer pórov membráne. Tento separačný proces sa nazýva dialýza. Používa sa na oddelenie solí od väčších koloidných častíc, alebo na vzájomnú separáciu organických látok, ktoré sa od seba líšia relatívnou molekulovou hmotnosťou. Ak umiestnime do roztok oddelených membránou opačne nabité inertné elektródy, možno zavedením elektrického prúdu urýchliť dialýzu iónových alebo elektricky nabitých zlúčenín. Hnacou silou pri elektrodialýze je elektrické pole vložené na membránový systém. Pre elektrodialýzu sa používajú ionovoselektívne ionexové membrány.

Vlastná konštrukcia elektrodialyzačného zariadenia je veľmi jednoduchá. Medzi dvomi elektródami sú striedavo umiestnené katexové a anexové membrány, ktoré oddeľujú odsoľovacie cely od ciel koncentračných. V odsoľovacích celách sa slaná voda zriedi a v susedných koncentračných sa zasa skoncentruje. Z odsoľovacích (produkčných) ciel sa odoberá odsolená voda, z koncentračných ciel roztok s vysokou soľnatosťou. V praxi používané zariadenia obsahujú až niekoľko sto ciel. Elektrodialyzátory môžu pracovať v kontinuálnej aj diskontinuálnej prevádzke. Spotreba energie ne jednotku množstva odsolenej vody je priamoúmerná prúdovej hustote,

Elektrodialýza sa používa tak na odsoľovanie vody, ako aj na získania koncentrovaných soľných roztokov z morskej vody. Odsoľovať možno vody s obsahom solí pod 5 g.l-1.

Okrem odsoľovania vody sa elektrodialýza uplatňuje pri spracovaní kvapalných rádioaktívnych odpadov, pri regenerácii a čistení rôznych odpadových roztokov, pri čistení odpadových vôd obsahujúcich zlúčeniny chrómu, pri čistení sulfitových lúhov apod.

12. Elektrochemické procesy

Uplatňujú sa pri čistení odpadových vôd veľmi znečistených a toxických. Pomocou jednosmerného elektrického prúdu možno oddeliť a skoagulovať koloidné látky vo forme dobe sedimentujúcich vločiek, zväčša bez pridávania chemikálií. Znečistená voda sa nachádza medzi železnými a hliníkovými elektródami. Po zapojení jednosmerného prúdu vznikajúce ióny železe (hliníka) pôsobia ako koagulanty (elektrokoagulácia). Po vyvločkovaní sa odpadová voda odvádza sa do usadzovacích nádrží, kde zotrváva asi 1 h. Čistia sa ňou odpadové vody z výroby buničiny, papiera, drevospracujúceho priemyslu, z jatiek, konzervární, pri odpadových vodách s obsahom olejov.

V niektorých prípadoch sa používa - elektroflotačná metóda. Dve elektródy sa nachádzajú v nádrži s vodnou suspenziou. Po zapojení jednosmerného prúdu vzniká vodík a kyslík vo forme jemných bubliniek, ktoré vynášajú na povrch odstraňované látky. Do tejto skupiny procesov zaraďujeme aj elektrodialýzu.


13. Odplynovanie

Vo vode , ktorá je v styku so vzduchom sú rozpustené plyny – kyslík, dusík a oxid uhličitý. Kyslík a oxid uhličitý treba pre niektoré použitia odstraňovať, lebo pôsobia korozívne, dusík je neškodný. Odplynovanie je preto jedno z najúčinnejších protikoróznych opatrení. Vodu možno odplyniť termicky a chemicky.

Termické odplynenie – podmienkou je narušenie rovnovážneho stavu pri rozpúšťaní plynov. Ak je vo vode rozpustené väčšie množstvo plynov, vzniká spontánne odplynenie ešte pred dosiahnutím teploty varu. Na ohrievanie vody sa používa para. Aby bolo možné vodu ohriať na teplotu varu, treba zabezpečiť intenzívny styk s vyhrievacou parou. Na tento účel sa voda rozdelí na malé kvapôčky a z padajúcich kvapôčiek sa vplyvom zdola vystupujúcej vyhriatej pary odstránia rozpustené plyny. Unikaniu plynov sa pomáha znižovaním parciálneho tlaku plynov v parnej fáze odvádzaním plynov zo systému. Termické odplynovanie sa môže uskutočňovať pod tlakom a vo vákuu.

Chemické odplynovanie - výlučne na odstraňovanie kyslíka. Zostatkové množstvo kyslíka po termickom odplynovaní môže byť väčšie, než je dovolené na použitie napájacej vody vo vysokotlakých prevádzkach. Dávkovaním vhodných chemikálií možno i zostatkové množstvá kyslíka úplne odstrániť.

Pre tlaky v kotloch do 6 MPa na odplynenie napájacích vôd majú technický význam siričitany a pre vysoké tlaky hydrazín:

Siričitan sodný reaguje s kyslíkom:

2 Na2SO3 + O2 Na2SO4

Na úplné odstránenie kyslíka ho treba pridávať v 400 - 500% nadbytku.Obejm solí v odplynenej vode sa preto výrazne zvyšuje. Táto metóda odplynovania sa preto v súčasnosti používa iba zriedka. Väčší praktický význam má odplynenie silno zásaditými anexami v siričitanovej forme. Najrozšírenejším je odstraňovanie kyslíka hydrazínom N2H4, ktorý sa oxiduje kyslíkom pri vyšších teplotách (100 0C) pri pH 9 - 9,5 pri katalytickom účinku oxidov železa na dusík a vodu:

N2H4 + O2 N2 + 2H2O

V poslednom čase sa používa hydrazín aktivovaný prenášačom kyslíka (tzv. Lewoxín), ktorý podstatne rýchlejšie reaguje s kyslíkom ako neaktivovaný hydrazín. Výhodou hydrazínu je, že produkty jeho reakcie nezvyšujú obsah solí vo vode a chemická reakcia pri pH > 9 prebieha rýchlo. Nevýhodou je vysoká cena a dostupnosť hydrazínu.

14. Radiačnochemické procesy

V priebehu posledných rokov sa uskutočnili pokusy využiť radiačnochemické procesy v technológii vody, najmä na základe deštrukčných a bionegatívnych účinkov vysokoenergetického žiarenia na vodné systémy. Účinok vysokoenergetického žiarenia na vodné roztoky (odpadové vody) je zvyčajne nepriamy. Rozpustená látky sa zväčša redukuje alebo oxiduje. Voda sa pritom najprv účinkom žiarenia rozloží na radikály a molekulové produkty (H2O2 a H2), ktoré až potom reagujú s molekulami rozpustenej látky a vyvolávajú príslušné zmeny.

Bionegatívne účinky vysokoenergetického žiarenia možno využiť na hygienické zabezpečenie pitnej vody, dezinfekciu odpadových vôd príp. sterilizáciu čistiarenských kalov. Vysokoenergetické žiarenie je veľmi účinné i k veľmi nízkym koncentráciám rozpustených látok a je teplotne nezávislé, nevyžaduje si pridávanie pomocných látok, v niektorých prípadoch iba nasýtenie vzduchom, produkty rádiolýzy sú netoxické a často biologicky rozložiteľné. Používajú sa: spracovanie a odvodňovanie kalov, deštruktívne oxidácia organických látok, dezinfekcia a sterilizácia a odstraňovanie rozpustených škodlivých látok. Ako zdroje žiarenia sa používajú: gama žiariče (60Co, 137Cs), v niektorých prípadoch urýchľovače elektrónov.




15. Vymrazovanie
Je to proces, ktorý využíva rozdielny bod tuhnutia. Možno vymraziť vodu a kryštalickú látku možno oddeliť ďalším separačným procesom napríklad odstredením. Používa sa při získavaní toxickej alebo cennej látky z vody.
.
16. Kryštalizácia

Podmienkou kryštalizácie, je porušenie súčiniteľa rozpustnosti. Používa sa pri získavaní toxickej alebo cennej látky z vody.

17. Deemulgácia

Emulzia je zmes dvoch navzájom nemiešateľných kvapalín napr. olej –voda.

Deemulgácia = rozbitie emulzie a porušenie rovnováhy. Môže sa uskutočniť nasledovne:
Mechanicky – miešaním,
Fyzikálne – zohriatím,
Chemicky – pridaním istého činidla, čím sa emulzia rozpadá tzv. vysoľovanie emulzií.

18. Magnetická separácia

= separácia fero – alebo para – magnetických častíc. Môže sa jednať o látky rozptýlené, rozpustené alebo nerozpustené látky.

19. Stripovanie – striping

= volatilizácia,
= evaporácia – za zvýšenej teploty – podobá sa odparovaniu rozpúšťadla z vody. Stripingom sa odstraňuje napr. amoniak z vody.

20. Imobilizácia

znamená zamrazenie hybnosti. Uskutočňuje sa:
- fixáciou – látku dávame do iných tvarov,
- enkapsuláciou – vkladanie do kapsúl (zapuzdrenie),
- solidifikáciou ako: - cementácia, (látku zakotvujeme do hydrátov vápenatých pri normálnej teploty a tlaku),
- bitumenácia, (používame asfaltové látky, proces prebieha pri vyšších teplotách a podmienkou je, že škodlivina sa nesmie rozkladať),
- vitrifikácia, znamená zosklenenie, čím získame tuhý solidifikát. Proces prebieha za vysokých teplôt okolo 1000 0C (napr. rádioaktívny odpad).





II. CHEMICKÉ PROCESY


1. Neutralizácia

Je často používaný proces v technológii vody, používa sa pri úprave vôd (odkysľovanie a pri čistení priemyselných odpadových vôd. Neutralizáciou sa upravuje pH hodnota kyslých alebo zásaditých odpadových vôd. Možno ju uskutočniť:

1. vypúšťaním kyslých odpadových vôd do rieky kde sa kyselinami neutralizujú hydrogéuhličitanmi prítomnými vo vode,
2. zmiešaním kyslých a zásaditých odpadových vôd v rámci jedného závodu a dodatočnou úpravou pH výsledných vôd už len malými dávkami neutralizačných činidiel,
3. filtráciou kyslých odpadových vôd cez filtračnú náplň vápenca alebo dolomitu vhodnej zrnitosti:

CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2O + CO2

Neutralizácia filtráciou sa môže použiť tam, kde vznikajú nerozpustné látky, ktoré by mohli upchávať filter a znižovať aktivitu náplne.

4. Dávkovanie činidiel v kvapalnom skupenstve ( vápenné mlieko, odpadové kaly, H2SO4), v tuhom skupenstve (hydroxid vápenatý, vápencový prach) a v plynnom (CO2 z dymových plynov). Pri neutralizácii sa vzniknuté kaly odstránia sedimentáciou v usadzovacích nádržiach.

2. Zrážanie

Zrážaním sa zlúčeniny rozpustné vo vode vyzrážajú ako málorozpustné zrazeniny, ktoré sa môžu odstraňovať usadzovaním, filtráciou, odstredením alebo flotáciou.

Účinnosť zrážania (zostatková koncentrácia odstraňovaných látok) okrem iných faktorov závisí aj od celkového zloženia vody - od prítomnosti a koncentrácie vlastných a cudzích iónov, od priebehu vedľajších chemických reakcií, od charakteru a veku zrazeniny a prebiehajúcich adsorpčných procesov a od. Z uvedených dôvodov nie je možné optimálne podmienky zrážania (pH, dávku zrážadla) a zostatkovú koncentráciu odstraňovaného iónu zistiť výpočtom zo stechiometrických rovníc, ale treba ich určiť experimentálne (najčastejšie odhadom zo titračných kriviek). Pri úprave vody sa zrážanie používa pri odstraňovaní vápnika a horčíka uhličitanom sodným a hydroxidom vápenatým alebo hydroxidom sodným, pri odželezovaní a odmangánovaní vody a pri čírení vody soľami železa a hliníka. Pri čistení dopadových vôd najväčší praktický význam má odstraňovanie iónov ťažkých kovov a niektorých aniónov (CH-) zrážaním, lebo tieto z dôvodu vysokej toxicity sú závažným znečistením odpadových vôd. Ióny ťažkých kovov sa najčastejšie odstraňujú ako hydroxidy, zásadité uhličitany alebo sulfidy. Dávka zrážacích činidiel (na rozdiel od vodárenskej úpravy) sa pohybujú rádovo v stovkách až tisíckach mg.l-1. V priemyselných odpadových vodách, kde biologické čistenie nie je účinné, alebo sa pre toxicitu znečisťujúcich zložiek nemôže použiť, používa sa adsorpčné zrážanie, pri ktorom vytvorené vločkové zrazeniny adsorpciou alebo spoluzrážaním zadržujú látky, ktoré sa majú odstrániť. Proces zrážania sa realizuje diskontinuálne alebo kontinuálne. Vznikajúci kal, ktorý má vysoký obsah vody sa zahusťuje, odvodňuje (kalolismi, vákuofiltrami) a potom skladuje.

3. Oxidácia a redukcia

Oxidačné procesy sa uplatňujú pri hygienickom zabezpečení pitnej vody, pri chemickom odplynovaní vody, pri odželezovaní a odmangánovaní vody, pri čistení priemyselných odpadových vôd a pod. Ako oxidovadlá sa používajú : chlór, oxid chloričitý, manganistan draselný, vzdušný kyslík, ozón, peroxid vodíka. Ako príklad - zneškodňovanie kyanidových odpadových vôd oxidáciou chlórom, ktoré prebieha v dvoch stupňoch. V prvom stupni z kyanidov vzniká kyanatan:

CN- + Cl2 + + 2 OH- CNO- + + 2 Cl- + H2O

v druhom stupni (nadbytkom chlóru) sa kyanatan ďalej zoxiduje až na elementárny dusík a oxid uhličitý.


Tým sa toxické kyanidy úplne zlikvidujú.

Oxidácia organických látok je vhodná predovšetkým na oxidáciu fenolov a ropných uhľovodíkov. Ako oxidovadlo sa tu používa ozón. Výhodné je ozonizačné dočistenie odpadových vôd s obsahom organických zlúčenín, ropných uhľovodíkov, fenolov a merkaptánov.

Redukčné procesy sú významné najmä na zneškodňovanie chrómových odpadových vôd zo strojárenského priemyslu.

Zneškodňujú sa tak, že Cr6+ sa redukuje (redukčné činidlá : FeSO4, SO2 , NaHSO3) na Cr3+ v kyslom prostredí (pH 3 až 5), ktorý sa potom vyzráža na Cr(OH)3. redukcia železnatými soľami pri pH 3 - 5 prebieha podľa rovnice:

CrO42- + 3Fe3+ + 8H+ Cr3+ + 3 Fe3+ + 4H2O

Po skončení redukcie sa pH upraví vápnom na 8,5 až 9,5, čím sa vyzrážajú ióny Cr3+ ako Cr(OH)3:

2 Cr3+ + 3 Ca (OH)2 2 Cr(OH)3+ 3Ca2+

Redukcia sa používa na zneškodnenie organických nitrozlúčenín. pri redukcii vznikajú aminozlúčeniny, ktoré sú niekedy menej škodlivé a biologicky lepšie rozložiteľné.


4. Spaľovanie

Osobitne škodlivé odpady a kaly sa niekedy zneškodňujú termickým spôsobom. Spaľovanie sa uskutočňuje suchým alebo mokrým spôsobom. Odpadová voda s vysokou koncentráciou organických látok alebo zhomogenizovný kal sa vedie do hornej časti etážového spaľovacieho reaktora. Horúci vzduch vstupuje do reaktora zospodu. Reaktor sa rozdeľuje na tri funkčné pásma:
· v hornom pásme sa voda rýchlo odparí,
· v strednom pásme pri 760 až 920 oC sa organické látky pyrolyzujú,
· v dolnom chladiacom pásme sa zuhoľnatené zvyšky ochladzujú.

Na zneškodňovanie čiernych výluhov z celulózok, kondenzátov zo závodov na spracovanie ropy a petrochemických kombinátov sa používa mokré spaľovanie, ktoré sa uskutočňuje v rozmedzí teplôt 225 až 347 oC a tlakov 5 až 15 MPa (Zimmermanov spôsob). Organické látky sa rozložia na oxid uhličitý a vodu, pri nižších teplotách čiastočne aj na nižšie mastné kyseliny. reguláciou prívodu vzduchu možno dosiahnuť a koksovanie určitého podielu organických látok. Investičné náklady sú ale veľmi vysoké.


III. BIOLOGICKÉ PROCESY

Pri biologickom čistení odpadových vôd majú veľkú účasť rôzne mikroorganizmy, ktoré spôsobujú množstvo biochemických a chemických zmien. Toto biologické čistenie je v podstate napodobnenie procesov prebiehajúcich v prírode.

Mikroorganizmy sa môžu rozlišovať podľa viacerých hľadísk. Podľa vzťahu ku kyslíku sú:
1. aeróbne, ktoré potrebujú molekulový kyslík,
2. anaeróbne, žijúce len v neprítomnosti molekulového kyslíka,
3. fakultatívne anaeróbne, schopné rásť v prítomnosti kyslíka aj bez neho.

Z hľadiska metabolizmu sa mikroorganizmy rozdeľujú na:
1. autotrofné - na výživu nepotrebujú organické látky, ale využívajú anorganické látky. Uhlík asimilujú v podobe oxidu uhličitého. Na asimiláciu CO2 využívajú svetelnú energiu (fotosyntéza) alebo chemickú energiu (chemosyntéza), ktoré získavajú obyčajne oxidáciou anorganických zlúčenín síry, dusíka, železa alebo iných prvkov.

fotosyntetickú asimiláciu CO2 uskutočňujú zelené rastliny, riasy, sinice a niektoré baktérie, chemosyntézu len niektoré baktérie.

2. heterotrofné - vyžadujú pre svoj život nevyhnutne hotový organický zdroj uhlíka.

Najnižšou formou života, ktorú pozorujeme v odpadových vodách sú:
- vírusy,
- baktérie,
- prvoky (protozoá),
- vírnici,
- ……,
- červy (viacprvkové).

Sú prispôsobené na život vo vodnom prostredí t.j. sú to akvatické mikroorganizmy. Zdrojom výživy sú pre nich organické formy znečistenia, ktoré označujeme ako substrát. Podľa prostredia, v ktorom žijú sa dajú deliť na :
· Aeróbne (oxické) – v prítomnosti molekulového kyslíka a teda prevládajúcimi formami budú NO3-, NO2-, SO42-, PO43-.
· Anaeróbne – bez prístupu kyslíka.
· Prechod medzi nimi – anoxické , bez molekulového kyslíka, iba výnimočne je rozpustený kyslík, okamžite spotrebúvajú kyslík z oxidovaných foriem napr. z dusitanov, dusičnanov, čím prevládajúcimi formami sú potom NH4+, H2S, S2-, P a S.

Meradlom pre určenie kyslíkových pomerovo vode (závisí od hĺbky hladiny) je oxidačno-redukčný potenciál. Nad 50mV prevládajú procesy oxické (oxidačné procesy), pod - 50mV anaeróbne (redukčné procesy) a oblasť medzi 50 - -50 mV je anoxická zóna. (prevládajú procesy oxidačné aj redukčné).

Striktne oxické organizmy = zahynú bez kyslíka,
Atriktne anaeróbne – v prítomnosti kyslíka zahynú,
Fakultatívne organizmy – anoxické – určitú dobu vydržia bez kyslíka.

Procesy v čistení odpadových vôd podľa toho môžeme rozdeliť:
· oxické,
· anoxické,
· anaeróbne.

Podľa typu znečistenia rozoznávame:
· ťažko rozložiteľné netoxické látky (humínové látky, azofarbivá, lignín),
· ťažko rozložiteľné toxické látky (chlórované uhľovodíky, pesticídy),
· ľahko rozložiteľné netoxické látky (cukry, tuky, amínokyseliny),
· ľahko rozložiteľné toxické látky (formaldehyd, fenol).

V prírode sa organické látky mineralizujú tak pri aeróbnych ako aj anaeróbnych podmienkach. Rozdiel medzi oboma typmi procesov nie je len v organizmoch, ktoré sa uskutočňujú, ale aj v produktoch. Kým pri aeróbnych podmienkach sú konečnými produktami CO2, H2O, NO3- atď., čiže vzniká úplná mineralizácia, pri anaeróbnych podmienkach vždy vznikajú metabolity (napr. organické kyseliny, metán), ktoré sa už ďalej nedegradujú.

AERÓBNE PROCESY

Pri čistení odpadových vôd sa najčastejšie používajú aeróbne biologické procesy. Zakladajú sa na odstraňovaní organických látok v rozpustenej alebo koloidnej forme pomocou zmesnej kultúry mikroorganizmov v prítomnosti kyslíka. Nemožno síce vylúčiť aj priebeh anaeróbnych procesov, ale tieto nie sú prevládajúce. Pri aeróbnom čistení odpadových vôd významnú úlohu zohrávajú aj ďalšie fyzikálne a fyzikálnochemické procesy - koagulácia, adsorpcia apod.

Pri aeróbnom biologickom čistení sa zabezpečí dostatočný styk odpadových vôd a mikroorganizmami pri dostatočnom prívode kyslíka.

Mikroorganizmy rozkladajú organické látky súčasnom uvoľňovaní energie a syntézy novej biomasy. Organické látky preniknú do vnútra bunky, kde sa uskutočňujú najdôležitejšie biochemické procesy Časť organických látok oxiduje až na CO2 a H2O pri súčasnom uvoľnení enrgie a zvyšok sa premení na zásobné látky a nové bunky. Pri všetkých procesoch prebiehajú všeobecné reakcie spotrebúvajúce kyslík.

Priebeh biologického odstraňovania organických látok závisí od východiskovej koncentrácie organických látok (substrátu), koncentrácie mikroorganizmov a času kontaktu substrátu s mikroorganizmami. Týmito základnými parametrami možno riadiť proces aeróbneho biologického čistenia odpadových vôd.

V priaznivých podmienkach sa každá bunka vegetatívne rozmnožuje na dve nové bunky a to v časovom intervale, ktorý je veľmi špecifický a závisí od mnohých faktorov. Tento interval sa nazýva generačný čas, Je to čas potrebný na zdvojnásobenie počtu buniek alebo biomasy. Ak pôvodný počet mikroorganizmov označíme ako N0, môžeme ich počet po n generáciách stanoviť zo vzťahu:


Rast mikrobiálne populácie v určitom objeme živného média neprebieha vždy exponenciálne, ale sa pomaľuje spotrebou živín, či tvorbou toxických produktov, prípadne kombinovaným účinkom oboch faktorov. Ak naočkujeme určitý objem kultivačného média neveľkým počtom buniek, rast jednobunkovej mikrobiálnej populácie sa uskutočňuje postupne v niekoľkých fázach. Semilogaritmickýcm znázornením nameraných hodnôt dostávame rastovú krivku, ktorú podľa jej priebehu možno rozdeliť do 5 fáz:

1. Lag fáza. Po naočkovaní média sa mikroorganizmy dostávajú do odlišného prostredia oproti pôvodnému, z ktorého boli vzaté. Organizmy nemusia byť adaptované na nové prostredie a po prenesení doňho mnohé môžu zahynúť a mnohé sa postupne prispôsobujú.
2. Fáza zrýchleného rastu je krátka prechodná fáza medzi lag fázou a fázou exponenciálnou. Rýchlosť rastu mikroorganizmov sa postupne zvyšuje a na konci fázy dosahuje maximálnu hodnotu.
3. Exponenciálne fáza rastu sa začína vtedy, keď rýchlosť rastu nadobúda konštantnú hodnotu, mikroorganizmy sú živé, v dôsledku čoho sa paralelne zvyšuje ich počet a množstvo biomasy. Rastová rýchlosť zostáva konštantná až do času, kedy sa začne prejavovať nedostatok substrátu.
4. Fáza spomaleného rastu je obyčajne krátky prechod medzi exponenciálnou a stacionárnou fázou a môžeme ju pokladať za extrapoláciu exponenciálnej fázy na úroveň stacionárnej fázy.
5. Stacionárna fáza. Narastaním počtu mikroorganizmov sa koncentrácia živín zmenšuje a zvyšuje sa koncentrácia metabolických produktov.

To spôsobuje hladovanie alebo intoxikáciu buniek, čo najprv zapríčiňuje inhibíciu rastu a napokon odumieranie mikroorganizmov. Stacionárna fáza začína vtedy, keď počet odumretých buniek je rovnaký ako počet vznikajúcich buniek. V tejto fáze je substrát z roztoku prakticky vyčerpaný a rast buniek sa zastavil. 6. Fáza odumierania začína po stacionárnej fáze. Nedostatok substrátu vyvoláva odumieranie mikroorganizmov a ich postupnú mineralizáciu, tým sa zmenšuje aj hmotnosť biomasy.

Rastovú krivku môžeme sledovať iba v diskontinuálnom systéme. Jej priebeh nemožno opísať jediným matematickým vzťahom. Najjednoduchšie sú pomery v exponenciálnej fáze rastu, v ktorej sa bunky rozmnožujú podľa vzťahu:





Kde X, X0 je koncentrácia biomasy (sušiny mikroorganizmov alebo počet mikroorganizmov v jednotke objemu), a čase t a t0,
m - špecifická rastová rýchlosť.

Touto rovnicou je jednoznačne definovaná špecifická rýchlosť. Ak označíme čas potrebný na zdvojnásobenie počtu mikroorganizmov na začiatku exponenciálnej fázy rastu ako tG, úpravou získame vzťah:






Čas tG (generačný čas) závisí len od špecifickej rastovej rýchlosti. Keď zanedbáme možnosť vplyvu inhibítorov, špecifická rastová rýchlosť závisí os koncentrácie limitujúceho substrátu (S) podľa Monodovej rovnice:





Kde mmax je maximálna špecifická rastová rýchlosť,
k S – saturačná konštanta číselne sa rovná koncentrácii substrátu, pri ktorej je špecifická rastová rýchlosť polovičná v porovnaní s maximálnou).Hodnota saturačnej konštanty kS je pre väčšinu substrátov mikroorganizmov veľmi malá, čo je veľmi dôležité pre biologické čistenie odpadových vôd.

Väčšina čistiacich procesov je prietoková (kontinuálna). Najjednoduchším prípadom je prietoková kultivácia bez recirkulácia mikroorganizmov. Obr. Schéma kontinuálnej kultivácie bez recirkulácie mikroorganizmov

Do kultivačnej nádrže (objem V) priteká prietokový objem Q roztoku (odpadovej vody) s koncentráciou substrátu S0. V nádrži koncentrácia substrátu je S a koncentrácia biomasy (mikroorganizmov ) X. Odtok nádrže je objemovo totožný s prítokom (Q), rovnaká je tiež koncentrácia substrátu (S) a mikroorganizmov (X) v odtoku a v nádrži.

Okrem toho, že sa mikroorganizmy rozmnožujú, začína aj ich odumieranie.

Celková zmena koncentrácie mikroorganizmov v krátkom časovom úseku dt sa rovná prírastku mikroorganizmov v určitom časovom úseku zmenšenému o úbytok vzniknutý rozkladom a o úbytok vzniknutý odtokom:






Jednotlivé čiastkové procesy potom môžeme vyjadriť nasledovne:
A/ prírastok mikroorganizmov (je deriváciou rastovej krivky)





B/ úbytok mikroorganizmov rozkladom:





C/ úbytok mikroorganizmov odtokom z nádrže





Kde D – je zriaďovacia rýchlosť buniek.
Potom celková zmena koncentrácie mikroorganizmov bude:






Teda rýchlosť zmeny koncentrácie mikroorganizmov (biomasy) v reaktore sa rovná rýchlosti prírastku mikroorganizmov (biomasy) zmenšenej o rýchlosť vyplavovania z nádrže. Po dosiahnutí ustáleného stavu musí platiť dX/dt = 0. Ustálený stav v prietokovom systéme teda nastáva vtedy, keď súčet D + kd sa rovná špecifickej rastovej rýchlosti. Koncentrácie mikroorganizmov a substrátu v reaktore sú potom konštantné.

Získaný vzťah vystihuje iba najjednoduchšie pomery pri kultivácii čistej kultúry mikroorganizmov, Odpadové vody sú obyčajne pestrou zmesou rôznorodých organických látok (viaczložkový substrát) a pri čistení sa pracuje so zmesnou kultúrou, obsahujúcou rôzne druhy mikroorganizmov s rozličnými generačnými časmi a rôznymi špecifickými rastovými rýchlosťami. Okrem toho sa zmesná kultúra (aktivovaný kal) pri aktivácii do aktivačných nádrží vracia (po separácii) jednak vracia (po separácii), jednak ako nadbytočná odstraňuje, preto vyššie uvedená rovnica nevystihuje dokonale daný proces.

Aeróbne metódy biologického čistenia odpadových vôd možno klasifikovať podľa schémy:







Schéma: Klasifikácia metód a zariadení aeróbneho biologického čistenia






















Prirodzené spôsoby čistenia odpadových vôd možno používať len pri priaznivých geologických, hydrogeologických a klimatických podmienkach. Ich čistiaci účinok je vysoký, presahuje zvyčajne 95 % BSK5. Pri čistení odpadových vôd závlahami prevažujú poľnohospodárske požiadavky (využívanie hnojivej hodnoty organických látok v odpadových vodách) nad požiadavkami čistiarenskými. Ide tu o relatívne málo znečistené odpadové vody, ktoré obsahujú látky škodiace pestovateľským plodinám. Pri pôdnej filtrácii nejde o obyčajnú filtráciu, ale o biologický proces. Pôdne mikroorganizmy využívajú organické látky a spolu s rastlinami aj anorganické živiny. Používajú sa tu pozemky bez poľnohospodárskeho využitia. Inou metódou je čistenie v nádržiach (aeróbnych, fakultatívnych, umelo prevzdušňovaných), v ktorých sa postupne odpadová voda mineralizuje.

V biologických filtroch prebieha čistiaci proces na povrchu hrubozrnného materiálu pri dostatočnom prístupe vzduchu. Na povrchu zŕn náplne sa po určitom čase vytvorí biologická blana, ktorá pozostáva zo spoločenstva veľkého množstva aeróbnych mikroorganizmov. Na tejto biologickej blane sa zachytávajú a mineralizujú rozpustené, koloidné aj nerozpustené organické látky. Najefektívnejšie je čistenie aktivovaným kalom.

Čistenie biologickými kolónami - biofiltrami

Proces aeróbneho biologického čistenia s prisadlou kultúrou mikroorganizmov je jedna z najstarších a najjednoduchších metód biologického čistenia odpadových vôd.

Najčastejšie ide o betónové nádrže kruhového alebo obdĺžnikového pôdorysu s roštovým dnom. Odpadová voda sa privádza na náplň biologickej kolóny skrápacím zariadením, ktoré má zabezpečiť rovnomerný prívod odpadovej vody na celú plochu kolóny.

Obr, Schéma biologickej kolóny s tvrdou sypkou náplňou

Na náplni biologickej kolóny sa po určitom čase vytvorí zmesná kultúra rozličných skupín organizmov a prilipne na nej vo forme biologického nárastu. Tento nárast, označovaný aj ako biologická blana alebo biologický film, je najdôležitejším činiteľom procesu biologického čistenia odpadových vôd. Je tvorený spolu so zachytávanými suspendovanými látkami najrozličnejšími typmi organizmov od baktérií, húb, rias, prvokov až po červy a larvy hmyzu. Má hubovitý charakter a je schopný veľké množstvo vody z tej, ktorá po jeho povrchu steká. Biologická blana po určitom čase zapracovania kolóny dosahuje hrúbku 1,6 až 3,2 mm, pri veľmi koncentrovaných odpadových vodách až 10 mm.

Kyslík potrebný pre biochemické procesy sa zväčša privádza v dostatočnom množstve do telesa biologickej kolóny prirodzeným prúdením vzduchu, ktoré vzniká v dôsledku teplotné spádu medzi teplotou vnútri kolóny a teplotou ovzdušia. Vetracie otvory sú umiestnené po obvode kolóny pod roštovým dnom. Umelé vetranie vháňaním vzduchu pri dne alebo odsávaním sa používa v uzavretých kolónach. Zmeny, ktoré prebiehajú na povrchu a vnútri biologickej blany, sú znázornené na obrázku.

Obr. Schematické znázornenie zmien, prebiehajúcich na povrchu a vnútri biologickej blany skrápanej biologickej kolóny

Na biologických kolónach je typická stratifikácia organizmov v ich náplni, pretože odpadová voda v horných vrstvách náplne je na organické látky bohatšia ako v spodných vrstvách. Často prevládajú bakteriálne druhy ZOOGLEA a bežné sú druhy PSEUDOMONAS, FLAVOBACTERIUM a ALCALIGENES. Nitrifikačné baktérie sú tiež prítomné najmä v hlbších vrstvách náplne, koliformné a vláknité baktérie sú však zastúpené v malom množstve. Riasy sa vyskytujú hojne, prítomné sú aj kvasinky a plesne. Na rozdiel od procesov čistenia odpadových vôd aktivovaným kalom huby a riasy tu tvoria väčšiu časť biomasy.

Aby sa mohli čistiť odpadové vody aj s vyšším obsahom organického znečistenia dostatočne účinne, treba ich zrieďovať vyčistenou vodou, ktorá z kolóny odteká, tj. treba využiť recirkuláciu.

Biologické kolóny pracujú najčastejšie s takým režimom recirkulácie, keď je prítok zmesi na kolóne je konštantný.

Čistenie aktivovaným kalom

Biologické čistenie aktivovaným kalom je v súčasnosti najpoužívanejšou metódou aeróbneho čistenia odpadových vôd. Ide tu vlastne o napodobenie samočistiacich procesov v recipiente a o ich intenzifikáciu v umelých nádržiach dodávkou nadbytku vzduchu. Pojmom aktivovaný kal sa označuje zložitá biocenóza aeróbnych a fakultatívne anaeróbnych organizmov, ktorá pozostáva zväčša z rozličných druhov baktérií a prvokov. Nežiadúci je Sphaerotilus a jemu podobné vláknité typy. Aktivovaný kal sa od väčšiny čistých kultúr mikroorganizmov líši tým, že má vločkovitý charakter, preto ho možno ľahko oddeliť od kvapalnej fázy jednoduchým usadzovaním.

Pojem aktivácia znamená proces postupného vytvárania aktivovaného kalu adaptovaného na určitý druh odpadovej vody. Pri čistení aktivovaným kalom sa odpadová voda premiešava s aktivovaným kalom pri dostatočnom prevzdušnení. Po dostatočne dlhom styku odpadovej vody s aktivovaným kalom v aktivačnej nádrži sa zmes vedie do dosadzovanej nádrže, kde sa aktivovaný kal oddelí od vyčistenej vody. Časť aktivovaného kalu (nadbytočný kal) sa zo systému odčerpá na osobitné zneškodnenie a časť sa vracia späť do nádrže ako očkovací (vrátený) kal.

Vlastná aktivácia sa uskutočňuje v troch fázach, medzi ktorými nie sú prudké prechody:
1. Adsorpcia koloidných a niektorých rozpustených látok na vločkách aktivovaného kalu. Adsorpcia prebieha veľmi rýchlo, maximálne intenzita sa dosahuje už za 1,5 až 2 min po začatí procesu.
2.V karbonizačnej fáze sa uskutočňuje rozklad a oxidácia zväčša uhlíkových organických látok na oxid uhličitý a vodu. Rozkladajú sa najmä sacharidy, rozklad proteínov dosahuje amonifikáciu. Uplatňujú sa ti všetky biologické zložky.
3.V nitrifikačnej fáze prebieha rozklad a oxidácia dusíkatých látok na dusitany a dusičnany. Tento bakteriálny proces prebieha pri intenzívnom prevzdušňovaní pomerne dlho (4 – 5h) a z ekonomických dôvodov sa neuskutočňuje. Odpadová voda sa často vypúšťa skôr a proces prebieha v recipiente. V súčasnosti je žiaduca úplná nitrifikácia spojená s denitrifikáciou v čistiarni odpadových vôd vzhľadom na eutrofizáciu povrchových vôd.

Z teoretického hľadiska – podľa charakteru toku rozlišujeme štyri možnosti uskutočnenia aktivácia:
- diskontinuálny,
- kontinuálny systém na princípe dokonalého miešania,
- semikontinuálny systém,
- kontinuálny systém na princípe piestového toku.
Prvý systém sa používa len pri experimentoch laboratórnom rozsahu.

V druhom prípade odpadoví voda a vrátený kal sa privádzajú oddelene do nádrže, kde sa intenzívne miešajú a prevzdušňujú.

Všetky častice prítoku sa v nádrži rovnomerne rozdelia, preto zloženie v ktoromkoľvek mieste nádrže i odtoku je rovnaké a nevzniká nárazové zaťaženie kalu. Spotreba kyslíka na aeróbne procesy je všade rovnaká.

V kontinuálnom systéme na princípe piestového toku (aktivácia s postupným tokom) sa odpadová voda pohybuje v dlhej nádrži tak, aby pozdĺžne miešanie bolo obmedzené. Koncentrácia substrátu zo začiatočnej vysokej hodnoty (na začiatku nádrže) sa postupne znižuje a vytvára sa koncentračný spád. Aktivovaný kal je takto v styku s meniacou sa koncentráciou substrátu. Pozdĺž nádrže sa mení rýchlosť odstraňovania substrátu a tiež rýchlosť spotreby kyslíka.

Ideálny piestový tok v kontinuálnom prietokovom systéme nemožno realizovať. Mieru, do akej sa kontinuálny systém blíži k ideálnemu miešaniu alebo piestovému toku, možno charakterizovať disperzným číslom nádrže, ktoré dosahuje hodnoty od 0 (pre piestový tok) do nekonečna (pre ideálne miešanie). Pri prevádzkových aktivačných nádržiach s postupným tokom býva disperzné číslo obyčajne väčšie ako 1.

AKTIVÁCIA

Je to najrozšírenejší proces biologického čistenia odpadových vôd. Je to zložitý proces pozostávajúci z vlastnej aktivácie a separácie aktivovaného kalu. Aktivácia prebieha v aktivačných nádržiach a separácia (najčastejšie sedimentáciou) vzniká v sekundárnych dosadzovacích nádržiach. V aktivačnej nádrži sa premiešava pritekajúca odpadová voda s oživeným kalom a prebieha oxygenácia tejto zmesi vzduchom alebo čistým kyslíkom pri intenzívnom miešaní. Počas zdržania zmesi v aktivačnej nádrži pribúda aktivovaný kal pri súčasnom úbytku rozložiteľných organických látok v čistenej odpadovej vode. Oživený kal obsahuje vločky organizmov, zoogleový sliz, ktorý tieto organizmy spája, a tuhé častice (detrit), ktoré sa v slize zachytia alebo vznikli metabolickými procesmi mikroorganizmov. Oživený kal s vodou, nazývaný aktivačná zmes priteká do sekundárnych sedimentačných nádrží, kde sa separuje, zahusťuje a opäť vracia ako vratný kle do aktivačných nádrží. Časť kalu sa odvádza zo systému ako nadbytočný. Zo sekundárnych sedimentačných nádrží odteká biologicky vyčistená odpadová voda. Obr.: Schéma aktivácie
1 – prítok odpadovej vody, 2 – odtok vyčistenej vody, 3 – aktivačná nádrž, 4 –sedimentačná nádrž, 5 – kyslík, 6 – aktivačná zmes, 7 – vratný kal,, 8 – nadbytočný kal

Parametre aktivačného procesu

Rozdeľujú sa na základné a odvodené.

Medzi základné patria prietoky Q0, Qp, Qr, koncentrácia organických látok v odpadovej vode (vyjadrená najčastejšie hodnotami BSK5) S0, Sa, S´o, koncentrácie sušiny kalu (alebo organickej sušiny) Xa, Xr, X´o, a objemy obidvoch nádrží Va a Vs. Uvedené parametre patria k základným parametrom, pretože opisujú celý systém.








Obr.: Základné parametre aktivácie

V praxi používame aj odvodené parametre (tiež technologické) parametre, ktoré pomocou základných charakterizujú vlastný technologický proces. K najdôležitejším technologickým parametrom patrí:

Čas zdržania Ta (h)
kde Va – je objem aktivačnej nádrže (m3),
Q0 – prítok odpadovej vody (m3.h-1).

Vek kalu A (deň)





kde Qp je prietok nadbytočného kalu (m3.h-1),
Xa – koncentrácia sušiny kalu (alebo organickej sušiny) v aktivačnej nádrži (kg.m-3),
Xr – koncentrácia sušiny kalu (alebo organickej sušiny) vo vratnom kale (kg.m-3),
X´ 0 – koncentrácia suspendovaných látok v odtoku zo sekundárnej sedimentačnej nádrže (kg.m-3).

Vek kalu vyjadruje, za aký čas sa zo systému odoberie také množstvo kalu, aké sa v ňom práve nachádza. Čím nižší bude vek kalu, tým väčšia bude jeho produkcia a naopak, pri vysokom veku kalu bude malá produkcia, ale vyššia koncentrácia v aktivačnej nádrži a vysoká potreba energie na dodávku kyslíka. Nižší vek kalu charakterizuje heterokultúru s vysokou aktivitou a veľkou produkciou biomasy, pričom sedimentačné vlastnosti sú horšie ako pri staršom kale.

Čistiaci účinok E (%)






kde S0 je koncentrácia organických látok vyjadrovaných ako BSK5 alebo CHSK v prítoku odpadovej vody do systému (kg.m-3).
S0´- koncentrácia organických látok vyjadrovaných ako BSK5 alebo CHSK v odtoku odpadovej vody zo systému (kg.m-3).

Podľa čistiaceho účinku rozoznávame systémy:
· s vysokou účinnosťou (95 % redukcia BSK5),
· so strednou účinnosťou (asi 90 % redukcia BSK5),
· s nízkou účinnosťou (80 % redukcia BSK5)
· a s čiastočným čistením (menej ako 70 %).

Látkové objemové zaťaženie L0 (kg.m-3. D-1) organických látok vyjadrovaných najčastejšie ako BSK5





Vyjadruje množstvo organických látok v odpadovej vode, ktoré privádzame na jednotku priestoru za jednotku času.

Zaťaženie kalu Lk (kg.kg-1.d-1)






Je to dôležitý parameter, ktorý vyjadruje, koľko potravy (organických látok) majú k dispozícii mikroorganizmy prítomné v oživenom kale. V praxi sa určuje hmotnosť organických látok privádzaná na 1 kg sušiny kalu za deň.

Kalový index KI (l.kg-1)






kde V30 je objem kalu po 30 min.

sedimentácii v % k objemu na začiatku,
X – koncentrácia sušiny kalu (kg.m-3).

Recirkulačný pomer







Varianty aktivácie

Prudký vývoj aktivácie, ako aj široký rozsah jej použiteľnosti spôsobili, že vzniklo veľké množstvo variantov a modifikácií. Z praktického hľadiska je výhodné rozdelenie podľa charakteru toku, technologickej modifikácie a zaťaženia kalu.

Aktivačnú nádrž môžeme pokladať za biologický reaktor. Z hľadiska teórie reaktorov poznáme dva ideálne charaktery tokov:
1. piestový tok
2. úplné zmiešavanie. Pri piestovom toku je čas zdržania všetkých častíc v reaktore rovnaký. Ideálny piestový tok sa však v praxi nedá úplne realizovať.

Je realizovaná dlhým korytom s relatívne malým prietočným profilom. Odpadová voda sa vracia s vratným aktivovaným kalom na začiatok vtoku do nádrže, zmes ňou potom preteká a opúšťa ju na konci. Koncentrácia aktivovaného kalu v nádrži sa podstatne nelíši, lebo jeho prírastok ako výsledok čistiaceho procesu je nepatrný. Koncentrácia rozpustených organických látok po dĺžke nádrže smerom k odtoku klesá, rovnako ako rýchlosť spotreby kyslíka.
Podmienkou realizácie reaktorov s úplným zmiešavaním je rovnomerné rozdelenie všetkých častíc prítoku v celom objeme reaktora. Preto koncentrácia v ľubovoľnom mieste reaktora a na odtoku je rovnaká.

Je realizovaná v nádrži spravidla štvorcového tvaru, ktorá je prevzdušňovaná a premiešavaná. Rozloženie koncentrácie aktivovaného kalu i rozpusteného kyslíka je v celej nádrži konštantné. Výhodou je odolnosť proti toxickým látkam vďaka okamžitému zriedeniu koncentrácie na prítoku, ale podporuje rast vláknitých mikroorganizmov, ktoré majú negatívny vplyv na usadzovaciu schopnosť kalu.

Charakter toku je veľmi dôležitý vzhľadom na vznik vláknitého oživeného kalu, ktorý zapríčiňuje vysoké kalové indexy (KI), a tým únik suspendovaných látok zo sekundárnej sedimentačnej nádrže. V zmiešavacích systémoch s približne rovnakou koncentráciou organického znečistenia v celej nádrži prevládajú vláknité organizmy, kým v systémoch blízkych piestovému toku (dlhé úzke nádrže) s veľkým koncentračným gradientom prevládajú nevláknité organizmy.

Technologickú modifikáciu podmieňuje druh a znečistenie odpadovej vody, jej množstvo a vyžadovaný čistiaci účinok. Z technologického hľadiska rozoznávame tieto typy:

1. Klasická aktivácia – je charakteristická malým premiešavaním obsahu nádrže v pozdĺžnom smere. Klasická aktivácia sa uskutočňuje ako úplná aktivácia s látkovým zaťažením 0,5 –1 kg.m-3.d-1 BSK5.
2. Odstupňovaná aerácia má podobnú schému ako klasická, len prívod vzduchu je rozdelený nerovnomerne t.j.

množstvo pridávaného kyslíka sa znižuje postupne pozdĺž nádrže v smere prietoku súčasne so znížením organického znečistenia.
3. Postupne zaťažovaná aktivácia – sa vyznačuje tým, že odpadová voda sa privádza na niekoľkých miestach pozdĺž nádrže, čím sa vyrovnáva zaťaženie nádrže a tým aj rýchlosť spotreby kyslíka v nádrži. Postupne zaťažovanú aktiváciu možno objemovo viac zaťažiť ako klasickú aktiváciu. Po stránke hydraulickej je prechodom medzi aktiváciou zmiešavacou a aktiváciou s postupným tokom.
4. Aktivácia s oddelenou regeneráciou kalu – odpadová voda a oživený kal v aktivačnej nádrži sa prevzdušňujú pomerne krátky čas (0,5 – 1 h), za ktorý sa určitá časť organických látok odstráni sorpciou na vločky kalu. Zo sekundárnej sedimentačnej nádrže sa vratný kal vedie do regeneračnej nádrže, kde sa prevzdušňuje 2 – 4 hodiny. Látky zachytené v kale sa oxidujú, čím sa obnovuje jeho sorpčná schopnosť. Zregenerovaný kal sa pridáva do aktivačnej nádrže. Aktivácia s oddelenou regeneráciou kalu pracuje obyčajne pri vyššom látkovom objemovom zaťažení, ale pri menšom čistiacom účinku ako klasická aktivácia.
5. Selektorová aktivácia – patrí k najprogresívnejším typom aktivácie, pretože potláča vznik napučaného aktivovaného kalu, ktorý sa zle usadzuje a zahusťuje v sekundárnej sedimentačnej nádrži, čo sa odráža v zhoršenom čistiacom účinku. Príčinou vzniku napučaného aktivovaného kalu je rast pomaly rastúcich vláknitých mikroorganizmov. Selektor sa môže definovať ako prítoková časť aktivačného systému, v ktorom sa úmyselne udržiava vyššia koncentrácia rozpusteného substrátu na podporenie rastu rýchle rastúcich (nevláknitých) a potlačenie rastu pomaly rastúcich (vláknitých)mikroorganizmov. Selektor môžeme zaradiť pred klasickú aktiváciu úplnú alebo dlhotrvajúcu, prípadne aj pred simultánnu denitrifikáciu. Podľa zaťaženia kalu možno aktiváciu rozdeliť na nízkozaťažovanú, vysokozaťažovanú prípadne rýchloaktiváciu. U nás sa viac používa rozdelenie podľa zaťaženia v aktivačnej sústave, pričom rozoznávame dlhotrvajúcu aktiváciu s úplnou alebo čiastočnou stabilizáciou, úplnú aktiváciu a čiastočnú aktiváciu. Aktivácia s aeróbnou stabilizáciou kalu sa často realizuje v oxidačných a aktivačných priekopách. Aktivačná priekopa je zaradená do technologickej linky ako iné aktivačné nádrže.

Mikroorganizmy spotrebujú kyslík najmä na syntézu novej bunkovej látky (substrátová respirácia) a na oxidáciu bunkovej látky (endogénna respirácia). Ak v aktivačnej nádrži prebieha nitrifikácia, treba uvažovať aj spotrebu kyslíka na oxidáciu dusíkatých látok. V aktivačných nádržiach so zmiešavacím systémom je zloženie aktivačnej zmesi takmer vyrovnané, a preto je rýchlosť spotreby kyslíka rovnaká v celej nádrži.

V aktivačných nádržiach blízkych piestovému toku je rýchlosť spotreby kyslíka väčšia na vtokovej jako na odtokovej časti nádrže.

Spotrebovaný kyslík v aktivačnej nádrži dodávajú aerátory najčasteješie prevzdušňovaním aktivačnej zmesi. Pre určitý druh odpadových vôd sa používa čistý kyslík. Aerátory musia dodať nadbytok kyslíka, pretože v aktivačnej, ale aj sekundárnej nádržitreba zabezpečiť aeróbne podmienky.

Oxygenačná kapacita (OC) – slúži na kvantitatívne vyjadrenie a porovnávanie okysličovacej schopnosti rôznych aerátorov. Je definovaná ako hmotnosť kyslíka, ktorý daný aerátor je schopný dodať do jednotkového objemu nádrže za jednotku času pri jeho začiatočnej nulovej koncentrácii v nádrži. Oxygenačná kapacita sa obvykle vyjadruje v jednotkách g.m-3.h-1 alebo kg.m-3.d-1 a stanovuje sa experimentálne.

Výťažnosť kyslíka E umožňuje hodnotiť aerátory z ekonomického hľadiska a predstavuje pomer OC ku spotrebe elektrickej energie, tj. množstvo kyslíka privedeného do aktivačnej zmesi v kg vztiahnuté na kWh. Výťažnosť bežných aerátorov sa priemerne pohybuje od 1 – 2 kg kyslíka na kWh.

Druh aerátora podmieňuje tvar aktivačnej nádrže. Aerácia a tvar úzko súvisia, pretože oba faktory musia zabezpečiť nielen dostatok kyslíka, ale ja určitú turbulenciu, aby sa uskutočnil prenos látky a zamedzila sa sedimentácia aktivačnej zmesi. Aerátory rozdeľujeme na pneumatické, mechanické a kombinované. Pneumatické aerátory – vháňajú vzduch do aktivačnej zmesi kompresormi, dúchadlami alebo ventilátormi. Aerátor môže mať rôznu konštrukciu, najrozšírenejší typ sú dierované rošty, pórovité elementy a dýzy umiestnené na dne aktivačných nádrží. Špeciálnym druhom strednobublinkovej aktivácie je typ INKA s plytko umiestnenými roštami. Pneumatické aerátory sa umiestňujú do pozdĺžnych aktivačných nádrží. Mechanické aerátory dodávajú kyslík čerením hladiny, prípadne nasávacím účinkom aerátora. Podľa polohy sú aerátory vertikálne a horizontálne.

Kombinované aerátory – vznikajú spojením pneumatických a mechanických aerátorov, čím sa zvyšuje ich aeračná schopnosť. V poslednom čase sa rozšíril druh aerátorov pracujúcich na hydraulicko-pneumatickom princípe. Sú to v podstate ejektory, v ktorých prúdením vody vzniká podtlak, tým sa nasáva vzduch do vody.

Na čistenie koncentrovaných odpadových vôd sa používa viacstupňové zariadenie – dvojstupňový variant. Prvý stupeň pracuje ako vysokozaťažovaná aktivácia a druhý má nízke zaťaženie, slúži na dočisťovanie odpadových vôd. Každý stupeň má vlastnú biocenózu a skladbu. Navrhujú sa aj pri nitrifikácii a denitrifikácii

Oxický proces
Vstupujúce znečistenie je charakterizované Me, S, O2(aj naviac), C, N.

Ukazovatele znečistenia sú BSK, CHSK a organický uhlík.



















Na rozdiel od predchádzajúceho musíme proces prevzdušňovať (aerácia) - t.j. privádzame kyslík na vyčistenie vody.
Zvýšime parciálny tlak , teda c = k.pO2,.
Nevýhodou je, že nadbytočný CO2 nám uniká do ovzdušia.
Dusík ide do oxidovanej podoby, odteká zbytkové znečistenie.












Materiálová bilancia:
Z materiálovej bilancie vidíme, že hlavnou nevýhodou je nadmerná tvorba biomasy, produkcia CO2, ktorého 50 % znečistenia uniká. Výhodou je, že vyčistená voda dosahuje parametre požadovanej kvality.

TEÓRIA REAKTOROV
Vsádkový - jednorazový systém (BATCH) - mikroorganizmy sa usadzujú.
Semikontinuálny- viac reaktorov za sebou.
Kontinuálny - neustále voda priteká a odteká.













kde V - objem nádrže,
S - koncentrácia substrátu = koncentrácia znečistenia v nádrži,
Xb - koncentrácia biomasy, organizmy, ktoré čistia vodu,
Q0 - prítok v koncentrácii S0,
Qc - odtok na konci.
Zostáva ešte oddeliť biomasu od vody. Najzákladnejší proces je prosté usadzovanie v dosadzovacích nádržiach.Biomasa vlastne čistí vodu, časť sa vracia ako QR,, SR, XR, prebytočný kal má chrakteristiky QW,, SW, XW.
Platí: Q0 = Qc
XR = XW
SR = SW.
Účinnosť čistiarne potom môžeme vyjadriť vzťahom: h





Jednou z možností, ako obmedziť rast pri recirkulácii je vytvorenie konkurenčného prostredia. Podmienkou je rozpustený kyslík. Musia to byť teda MO, schopné sedimentácie. Sú však i také, ktoré dosahujú výborné ukazovatele znečistenia, ale v konečnom dôsledku ich nevieme odstrániť.
Pri oxických procesoch biomasa môže byť vo vznose alebo fixovaná.

Biomasa vo vznose -snaha je , aby sa mikroorganizmy nausadzovali, boli vo vznose. Existujú suspendované voľne rozptýlené baktérie, vločkovité a vláknité baktérie a iné.
Ak vznikne kal s vláknitými mikroorganizmami, zbavíme sa ho jednoducho:
chemicky -chlórom resp. jeho zlúčeninami (Cl2, NaOCl, HOCl, ozón, H2O2 a iné),
fyzikálno-chemicky. pomocou zaťažovadla - bentonit. Dôsledkom je, že sa zničia vlákna, biomasa zníži odtok, naočkujeme novú biomasu.
Aktivácia - aktivačný proces = proces aktivovaným kalom. Je jedným zo základných procesov oxického biologického čistenia.
Aerácia môže byť:
1. povrchová , mechanická - čiastočne ponorené čerpadlo, ktoré vháňa vzduch
- s horizontálnou osou (prevzdušňovacie kefy, valce),
- s vertikálnou osou

2. pneumatická aerácia - prebublávanie - dostať vzduch dolu na dno nádrže, čím bublinky potom vystupujú nahor. K tomu potrebujeme dúchadlo, ktoré dokáže prekonať hydrostatický stĺpec kvapaliny.

Nevýhodu tohto procesu je, že je energeticky veľmi náročný.
3. hydropneumatická - používajú ejektory, ktoré prisávajú vzduch z hladiny, alebo injektory.
4. kombinované. Používajú sa minimálne. príkladom je podpovrchový aerátor ponorený v nádrži, ťahá z hladiny vzduch a pod vodou hore rozstrekeje.
V súčasnosti sú presadzované pneumatické aerátory.
Porovnávacie kritériá:
1. Oxygenačná kapacita = množstvo kyslíka vyjadrené na 1 m3 vody za jednotku času
2. Výťažok aerátorov





W- príkon.
Energeticky náročnejšie sú pneumatické aerátory - využiteľnosť na 20%.
Vláknité mikroorganizmy
Ich vznik a množenie je nežiaduce a súvisí:
§ so skladbou substrátu (čím viac cukrov, je pravdepodobnejší výskyt tohot druhu MO),
§ hydraulikou toku. Ak máme ČOV pracujúcu na princípe ideálneho zmiešavania, je aj pravdepodobnejší výskyt vláknitých MO. V prípade sa uskutočňuje aktivácia na princípe selektorového toku, predchádza sa tvorbe vláknitých MO, prednostne rastú vločkotvorné MO. Vločky v prípade selektorovej aktivácie rastú rýchlejšie ako v prípade aktivácie s postupným tokom.

Kritériá pre hodnotenie ČOV:
§ ekvivalentný obyvateľ
§ zaťaženie (objemové zaťaženia a zaťaženie kalu).

Ako modernizovať starú ČOV ?
Má byť selektorová, OC, E:
- šachtová aktivácia (úzka dlhá rúra 60 - 120 m, bublinky stúpajú smerom nahor),
- absorpčná aktivácia - kombinácia biomasy vo vznose a fixovanej biomasy
- vsuvka - dvojstupňová, dvojkalová alebo dvojstupňová jednokalová
- obehová aktivácia - KARUSEL
- aktivácia čistým kyslíkom (je drahá).
Zastúpenie MO:
- suspendované baktérie,
- vločkovité - zoogleálne (EOOGLEA RAMIGERA), na rozdiel od predchádzajúcich sa združujú do celkov, základom sú vločky prípadne i vlákno,
- vláknité baktérie, aj kaly.

Znečistenie sa vzťahuje na substrát, hodnotí sa podľa vzťahu Michaelis-Mentenovej rovnice:





kM = koncntrácia substrátu, kedy je rýchlosť ubúdania substrátu polovičná,
dS
= u - rýchlosť odstraňovania substrátu.
dt

Aktivácia je len jeden z postupov oxidačného čistenia (aj aktivácia čistým kyslíkom, ale je priveľmi drahá).
Fixovaná - imobilizovaná biomasa = nárastové kolóny, ktoré rozdeľujeme:
§ skrápané biologické kolóny = biofiltre - náplňové kolóny (s voľným sypaním materiálu, alebo usporiadané)
§ ponorené biologické kolóny
§ rotačné biofilmové reaktory
§ kombinované biofilmové reaktory.

Skrápané biologické kolóny
Jedná sa o nádrže veľké, kruhového prierezu 10 - 12 m.

Je tam sypaný materiál (tehly, štrk, čadič), novšie typy majú náplň plastovú a sú vybavené aerátorom.
Pri usporiadaných kolónach je táto náplň poukladaná.

Ponorené biologické kolóny
Jedná sa o aktivačný proces s biomasou vo vznose. MO rastú na inerte, ktorým je nosič, s veľkým povrchom (inert je piesok, nie aktívne uhlie). Konštrukčne môžu byť miešané, prebublávané. Vzdutie je 100 % = l : l, ak je toto vzdutie väčšie ako 100 % = fluidný spôsob. Ak sa jedná o nárast 100 - 300 % hovoríme o expandovanom systéme t.j. má fluidizované - expandované lôžko.

Rotačné biofilmové reaktory
Nosič j disk, najznámejší je rotačný diskový reaktor, existuje aj rotačný prietokový reaktor.

Kombinované biofilmové reaktory
Jedná sa napr. o rotačné diskové reaktory alebo s biomasou vo vznose.


Vegetačno- koreňové čistiarne

Na nepriepustné podložie sa položí hrubý, jemný štrk, 20 - 30 cm vody tak, aby rastliny mohli mať korene v štrkovom podloží. Nie vždy to funguje v každých klimatických podmienkach. Skôr sa uplatní vegetačný systém, kde rastlinky priamo na hladine rastú v tenkej vrstve.









ANAERÓBNE PROCESY

Hlavné anaeróbne procesy, ktoré sa uplatňujú pri čistení niektorých odpadových vôd a zneškodňovaní kalov, sú kyslé a metánové kvasenie (niekedy aj sírne kvasenie). Uvedené procesy v technológii vody označujeme ako vyhnívanie resp. metanizácia.

Proces vyhnívania pozostáva z dvoch fáz:
· predvyhnívacej,
· vyhnívacej (vlastnej).

Líšia sa jednak reakciou, pri ktorej sa uskutočňujú, tiež aj konečné produkty sú rozdielne. Predvyhnívaciu fázu spôsobujú fakultatívne anaeróbne baktérie, rozkladajú monomérové a polymérové organické látky za vzniku jednoduchých organických látok (zmes nižších alifatických mastných kyselín, aminokyselín, alkoholov, monosacharidov a pod.). Spolu bolo popísaných a izolovaných 51 druhov fakultatívne anaeróbnych a aeróbnych baktérií predvyhnívacej fázy. Ďalej sa popísalo a izolovalo 36 druhov húb a kvasiniek. Konečné produkty predvyhnívacej fázy vo vyhnívacej fáze využívajú striktne anaeróbne baktérie pri vzniku CH4 a CO2 (metánové kvasenie). Metánové baktérie žijú v symbióze s mikroorganizmami predvyhnívacej fázy. Počas vyhnívacej fázy vzniká bioplyn (kalový plyn) obsahujúci CH4 a CO2.

Hlavným procesom predvyhnívacej fázy je hydrolýza vysokomolekulových látok pôsobením baktérií produkujúcich hydrolytické enzýmy (tzv. hydrolázy). Tak napr. hydrolýzou vzniká zo škrobu a celulózy glukóza, z tukov glycerín a vyššie alifatické kyseliny, z proteínov jednoduché aminokyseliny. Produkty hydrolýzy sa ďalej rozkladajú za vzniku nižších alifatických kyselín a alkoholov. Produkty metabolizmu predvyhnívacej fázy sú substrátom pre metánové kvasenie.

Jednotlivé druhy metánových baktérií sú schopné metabolizovať vždy len niektoré zlúčeniny, preto vo vyhnívacej fáze má byť prítomná zmesná kultúra metánových baktérií.

Organotrofné baktérie produkujú z mastných kyselín a alkoholov metán:

CH3COOH CH4 + CO2

4 CH3OH 3 CH4 + CO2 + 2 H2O

Litotrofné baktrérie spôsobujú reakciu:

4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O

Biochemické procesy anaeróbneho rozkladu sú znázornené v ďalšej schéme. Pre správny celkový priebeh vyhnívania má platiť pre rýchlosť metánového kvasenia V3ł(V2+V1), pretože inak sa nahromadia organické kyseliny a pH sa znižuje, čo má inhibičný účinok na metánové baktérie.
Kalom nazývame suspenziu tuhých látok (sušina kalu) vo vode. Percentuálny obsah (hm. %) vody v kale nazývame vodnatosť pv. Sušinu kalu ps(hm. %) potom môžeme vypočítať podľa vzťahu:
ps =100 - pv

Obsah organických látok v kale (organickej sušiny) sa určuje výpočtom straty žíhaním sušiny. Zloženie a obsah sušiny kalu pred vyhnívaním a po vyhnívaní závisí od toho, či ide o kal primárny, aktivovaný alebo zmiešaný :pomer organických látok k anorganickým vo vyhnitom kale býva približne v pomere 1:1, kým v surovom kale 2:1. V priebehu vyhnívania sa obsah organickej sušiny kalu zníži asi o 45 – 65 %. Takto sa získa nehnilobný vyhnitý (stabilizovaný) kal. Vyhnitý kal nezapácha, zachovávajú sa v ňom hnojivové látky pre použitie v poľnohospodárstve.

Obr.: Biochemické procesy anaeróbneho rozkladu




























Od vyhnitého kalu sa oddeľuje kalová voda, ktorá je veľmi silne znečistená. Vracia sa preto do prítoku na čistiareň odpadových vôd a dočisťuje sa. Bioplyn (kalový plyn) obsahuje CH4 (až do 75 %), CO2 (do 35 %) a malé množstvá H2, N2, O2 a H2S. Jeho zloženie závisí od zloženia kalu, ako aj teploty vyhnívania. Využíva sa najmä na vyhrievanie vyhnívacích komôr. Zmes bioplynu so vzduchom (v pomere 1: 5 až 1: 15) je výbušná.

V anaeróbnych podmienkach teda prebieha proces kvasenia = anaeróbny rozklad bezdusíkatých zlúčenín bez prístupu kyslíka: Podľa konečných produktov rozoznávame:
§ alkoholové kvasenie,
§ mliečne kvasenie,
§ octové kvasenie.

Proces metánové kvasenie - konečným produktom je metán, proces prebieha striktne anaeróbnymi baktériami ( mathano bacteria, sarcina, coccus).
Proces sírne kvasenie - prebieha v anaeróbnych podmienkach. Typickým predstaviteľom je striktne anaeróbny desulfovibrio, ktorý rozkladá sírne zlúčeniny bez obsahu dusíka.
Proces hnitie - súbor anaeróbnych rozkladných procesov látok, ktoré obsahujú dusík.
V ČOV sa uplatňujú viaceré procesy. najdôležitejšie metánové kvasenie, kde polymérny substrát slúži ako potrava.

Obr.

Viacfázový mikrobiálny rozklad - cez kyselinu octovú až po metán




























Bioplyn pozostáva z nasledovných zložiek :
90% CH4 / CO2 (metánu je nad 50 %), N2, NH3 H2, H2S.

Zariadenia na anaeróbne čistenie odpadových vôd – anaeróbne reaktory možno rozdeliť na zmiešavacie reaktory a anaeróbne kolóny. V zmiešavacích reaktoroch sa biomasa kultivuje v suspenzii. Prevádzka v reaktoroch môže byť bez alebo s recirkuláciou biomasy, usporiadanie môže byť jednostupňové alebo dvojstupňové. Do tejto skupiny zaraďujeme tzv. anaeróbnu aktiváciu (anaeróbny kontaktný proces). Jej základným princípom je separácia biomasy za anaeróbnym reaktorom a jej recirkulácia do reaktora (proces analogický s aeróbnou aktiváciou). Z hľadiska technologického to môže byť anaeróbna aktivácia jednostupňová (jeden reaktor s recirkuláciou biomasy) alebo dvojstupňová s oddelenou predmetanizačnou a metanizačnou fázou, pričom recirkulácia biomasy sa vykonáva len v metanizačnej fáze). Nevýhodou anaeróbnej aktivácie je zlá separácia biomasy od vyčistenej odpadovej vody. Tento proces je výhodný pre odpadové vody s vysokou koncentráciou suspendovaných látok a organického znečistenia.

Anaeróbne kolóny sa vyznačujú vertikálnym prietokom substrátu a podľa konštrukcie ich možno rozdeliť na:
· kolóny s tuhou náplňou,
· fluidné kolóny
· a kolóny s kalovým mrakom.

Kolóny s tuhou náplňou sa líšia jednak druhom náplne, jednak prietokom. Od tohto usporiadania závisí výskyt biomasy buď vo forme suspenzie, biofilmu alebo oboch foriem. V anaeróbnom filtri so sypanou náplňou a prietokom zdola nahor je poväčšine biomasa vo forme suspenzie a čiastočne vo forme biofilmu. Pri podobnom usporiadaní s prietokom zhora nadol sú pomery vzhľadom na formu biomasy obrátené. V kolónach tohto typu sa dosahuje zvýšenie koncentrácie biomasy ako aktívnej kultúry. V súčasnosti sa ako najperspektívnejšia javí modifikácia čistenia odpadových vôd. V prípade väčších reaktorov sa tvoria kanáliky alebo stratové prúdy v náplni, čo má za následok vplyv na kvalitu vyčistenej odpadovej vody. Tieto nevýhody odstraňuje rúrkový reaktor, v ktorom je náplň vo forme súvislých kanálikov alebo rúrok s prietokom zhora nadol. Biomasa sa v ňom nachádza len vo forme biofilmu.

V kolónach s náplňou vo fluidnej vrstve sa biomasa nachádza vo forme nárastov na nosiči, ktorým je obyčajne inertný zrnitý materiál s veľkým špecifickým povrchom. Kolóna môže pracovať s fluidnou a lebo s expandovanou vrstvou. Rýchlosť prietoku reaktorom musí byť taká, aby sa nosič udržal vo vznose alebo aspoň v expandovanej vrstve, čo si spravidla vyžaduje recirkuláciu.
V beznáplňovej kolóne s kalovým mrakom sa biomasa nachádza vo forme kalového mraku v dolnej časti kolóny. Kal sa udržiava vo vznose hydrodynamickým účinkom vonkajšieho čerpadla.

Kolóna môže pracovať s inertným alebo externým seaprátorom biomasy. Zariadenie je vhodné na čistenie odpadových vôd potravinárskeho priemyslu.

Voľba spôsobu anaeróbneho čistenia odpadových vôd závisí od druhu a koncentrácie organického znečistenia a od obsahu suspendovaných látok v odpadovej vode. Pre odpadové vody s vyšším obsahom suspendovaných látok sú výhodné anaeróbne reaktory s prietokom zhora nadol. Anaeróbne kolóny s fluidnou alebo expandovanou vrstvou sú najvýhodnejšie na čistenie zriedených odpadových vôd.


Anaeróbne procesy:











C- uhlíkaté znečistenie (zlúčeniny),
S- sírne znečistenie, zlúčeniny,
Me - kovy,
N2 - dusík, plyn vzniká rozkladom,
BP - bioplyn,
BM - biomasa - anaeróbne mikroorganizmy- kal,
MeS - sulfidy kovov.

Anaeróbnymi procesmi sa až 95% znečistenia transformuje na bioplyn (materiálová bilancia):












Bioplyn obsahuje :
60 - 80 % CH4, 19 - 39 % CO2, 1 % H2 + H2S + O2 + NH3+ atď
výhrevnosť:
§ CH4 asi 36 MJ.m-3
§ BP asi 18 - 29 MJ.m-3
§ zemný plyn asi 38 MJ.m-3
§ vykurovací olej asi 42 MJ.m-3 teda 1 m3 je asi 0,6 l vykurovacieho oleja

Nevýhodou anaeróbnych procesov je, že následne za nimi musí byť napojený oxický proces.


Technologická linka zneškodňovania kalu

Látky odstraňované čistením odpadových vôd prechádzajú zvyčajne do kalu. Čistiarenský kal je heterogénna zmes zložená z kvapalného disperzného prostredia, v ktorom sú rozptýlené tuhé častice s rozličnou veľkosťou. Objekty a zariadenia technologickej linky zneškodnenia kalu tvoria kalové hospodárstvo. V kalovom hospodárstve sa realizujú rôzne najmä technologické procesy:
stabilizácia,
predúprava,
zahusťovanie a odvodňovanie,
spaľovanie,
skládkovanie,
využitie kalu.

Každý proces pozostáva z jednotkových operácií alebo ich kombinácií. Hlavné faktory, ovplyvňujúce skladbu kalového hospodárstva sú:
· vstup t.j. množstvo a akosť kalu,
· výstup (koncovka kalového hospodárstva) – sem zaraďujeme spaľovanie, likvidácia a využitie,
· zdravotno-hygienické hľadiská a iné.

Technologická linka zneškodnenia kalu môže mať najrôznejšiu skladbu. Pre kal s vysokým podielom minerálnych látok sa používa odvodnenie alebo zahustenie s odvodňovaním. Technologická linka pre organický kal alevo zmes s minerálnym kalom býva ďalej rozšírená o stabilizáciu kalu. Koncovka kalového hospodárstva býva často nedoriešená, preto prevláda likvidácia.

Technologická linka zneškodnenia kalu sa môže v súčasnosti vytvárať z nasledujúcich procesov a ich kombinácií: stabilizácie, predúpravy, zahusťovania, odvodňovania, vysúšania, hygienizácie, likvidácie alebo využitia.

Stabilizácia kalu

Stabilizácia je proces, pri ktorom kal získa vysokú biochemickú stabilitu. Stabilita kalu je opakom jeho biochemickej aktivity. Kritériom stability je teda určitá chemická, fyzikálna či biologická vlastnosť kalu. k najrozšírenejším procesom patrí aeróbna a anaeróbna stabilizácia kalu. poznáme aj termofilnú, chemickú (napr. vápnom) a krátkotrvajúcu stabilizáciu.

Aeróbna stabilizácia je zneškodnenie kalu oxidáciou až do takej miery, že ani po dlhšom čase skladovania nepodlieha hnitiu. Aeróbna stabilizácia kalu je v skutočnosti aktivácia pracujúca pri určitých podmienkach a môže prebiehať v samotnej tzv. stabilizačnej nádrži oddelenej od aktivačnej nádrži, alebo ako kontaktná, keď prebieha priamo v aktivačnej nádrži.

Organické látky vo väčších čistiarňach odpadových vôd sa spracúvajú anaeróbnou stabilizáciou (vyhnívaním). Vyhnívanie je zložitý technologický proces rozkladu organických látok biochemickými procesmi pri anaeróbnych pomeroch. Všeobecne prebieha v dvoch fázach:
1. fáza - kyslé kvasenie - je charakteristické zvýšeným obsahu organických kyselín a vývinom oxidu uhličitého a vodíka,
2. fáza - metánové kvasenie - je charakterizovaná tvorbou metánu a oxidu uhličitého.

Vyhnívanie čistiarenských kalov ovplyvňujú základné faktory: teplota, pH, miešanie. Zloženie kalu má rozhodujúci vplyv na anaeróbny rozklad. Priaznivo vplývavajú: NH4+, PO43,
Na+, K+ atď. Nepriaznivo pôsobia vyššie koncentrácie solí ťažkých kovov (Cu, Zn, Ni, Cr atď.), ďalej sulfidy, siričitany, kyanidy a tiež molekulový kyslík. Z organických látok pôsobia tiež škodlivo fenoly, saponáty, pesticídy, rozpúšťadlá a iné látky. Teplota kalu je v čistiarenskej praxi dôležitým parametrom. So stúpajúcou teplotou sa vyhnívanie urýchľuje, čím sa skarcuje jeho čas a tým aj objem vyhnívacích komôr. Vplyv teploty sa obyčajne vyjadruje vo vzťahu k času zdržania alebo k produkcii kalového plynu, ktorý sa vzťahuje k hmotnosti sušiny organických látok. podľa teploty poznáme vyhnívanie:
kryofilné (studené) - pri teplotách do 20 - 25 oC,
mezofilné - pri teplotách 27 - 37 oC,
termofilné - pri teplotách až 60 oC.
Najrozšírenejšie je mezofilné vyhnívanie. Pri mezofilnom a termofilnom vyhnívaní treba nádrže vyhrievať. Od produkcie plynu závisí stupeň stabilizácie kalu.
Obr. Technická hranica vyhnívania, ktorú považujeme za dostatočnú pre ukončenie procesu

Chemická reakcia - pH je dôležitá pre vývoj metánových metánových baktérií. Optimálne pH je v rozsahu 6,5 - 7,5. Miešanie má pozitívny vplyv na vyhnívanie.

Miešaním sa homogenizuje kal, zlepšuje sa kontakt mikroorganizmov so živinami a substrátom, zabraňuje sa hromadeniu toxických produktov rozkladu a ťažkých suspendovaných látok a redukuje sa tvorba kalového stropu.

Vyhnívaním sa zmenšuje podiel organickej sušiny v kale, napr. v sušine mestských kalov sa pomer organických látok k anorganickému podielu zmení v pomere z 2 : 1 v surovom kale na 1 : 1 po stabilizácii. Vyhnívaním surového kalu sa zmenšuje obsah organickej sušiny o 45 - 65 %. Bežný mestský kal obsahuje asi 5 % sušiny s podielom asi 70 % organických látok, po vyhnívaní sa podiel sušiny zvýši na 7 - 10 % a podiel organických látok sa zníži na 50 %. Pokles hodnoty organickej sušiny okrem teploty a času vyhnívania závisí od akosti kalu a od charakteru prevádzky.

Návrh vyhnívacích komôr, t.j. vyhnívania, sa robí pomocou rôznych technologických parametrov. Medzi technologické parametre patria: objemové zaťaženie, čas vyhnívania, teplota, miešanie a stupeň vyhnívania (stabilizácie).

Látkové objemové zaťaženie L0 (kg.m-3.d-1 organickej sušiny):








Qk - je objem surového kalu, ktorý sa za deň pridá do nádrže (m3.d-1),
Xo - koncentrácia organickej sušiny v pridávanom surovom kale (kg.m-3),
V - užitočný objem nádrže (m3).

Podľa látkového objemového zaťaženia vyhnívanie rozdeľujeme na nízkozaťažované (L0 do 1,5 kg.m-3.d-1) a na vysokozaťažované (L0 vyše kg.m-3.d-1).
Čas vyhnívania (teoretický) T (d):





Teoretický čas nízkozaťažovaného vyhnívania býva 20 - 30 dní, kým pri vysokozaťažavanom je to 10 - 15 dní. Teplota kalu vo vyhnívacej nádrži sa pohybuje medzi 30 - 35 0C. Pre stredné a veľké čistiarne odpadových vôd sa najviac navrhuje mezofilné vyhnívanie.

Vyhnívanie prebieha vo vyhnívacích nádržiach. Z konštrukčného hľadiska rozoznávame časť stavebnú a časť strojovú. K stavebnej časti patria vyhnívacie nádrže, kalojem a plynojem. Do strojovej patria rozličné armatúry, miešacia zariadenia, vyhrievacie zariadenia a ostatné zariadenia(regulácia, meranie, automatizácia).

Najstarším druhom vyhnívacích nádrží sú štrbinové nádrže. Moderné vyhnívacie nádrže sú valcové železobetónové nádrže s dnom v tvare kužeľa. Nevyhrievané vyhnívacie nádrže sú s plochým alebo mierne skloneným dnom. Vyhrievané vyhnívacie nádrže sú zostrojené alebo pevnou železobetónovou klenbou, alebo pohyblivým kovovým stropom tzv. nasadeným plynojemom. Dnes sa uprednostňujú nádrže so stropom v tvare zrezaného kužeľa, zakončené valcovitou časťou. Vyhrievané vyhnívacie nádrže sa izolujú proti tepelným stratám. Veľmi výhodné je preto spojiť vyhnívacie nádrže s výstupnou vežou, manipulačnou komorou, strojovňou a kotolňou do jedného celku.

Kalojem plní funkciu druhého stupňa vyhnívania.

V ňom kal dohníva a prebieha separácia kalovej vody od zahusteného kalu. Kalojem je najčastejšie železobetónová otvorená nádrž v tvare valca s plochým alebo kužeľovým dnom. Plynojem ja určený na akumuláciu kalového plynu a vyrovnávanie tlaku. Konštrukcia plynojemu je rovnaká ako v plynárňach. Medzi hlavné armatúry patria prívod a odber kalu, odber kalovej vody , odber plynu, odber vzoriek, prieliv a odpad na vypúšťanie kalového stropu.

Kal môžeme premiešavať rôznymi spôsobmi. Podľa umiestnenia miešacieho zariadenia rozdeľujeme premiešavanie na interné a externé. Interné premiešavanie- realizujú zariadenia umiestnené priamo vo vyhnívacej nádrži. Patria sem rôzne vrtuľové miešadlá, dýzy a rošty.
Externé premiešavanie - uskutočňuje sa čerpadlami mimo vyhnívacích nádrží.

Aj ohrievanie je interné a externé.
Interné ohrievanie - vzhľadom na údržbu sa používa zriedka. Patrí sem ohrievanie vodou alebo parou, ohrievacími telesami príp. ponorenými plynovými horákmi.
Externé ohrievanie - vo výmenníkoch tepla, so súčasným ohrievaním necirkulovaného surového kalu. V praxi sa osvedčil špirálový výmenník. Súčasťou ohrievacieho systému je strojovňa, kotolňa, zabezpečovacie zariadenie, regulačná technika a celé plynové hospodárstvo. Na ohrievanie vyhnívacích nádrží sa vo väčších čistiarňach používa kalový plyn.

Predúprava kalu

Predúprava kalu je proces, ktorým meníme niektoré vlastnosti kalu (najmä fyzikálne), aby sa zintenzívnilo zahusťovanie, odvodňovanie a sušenie, prípadne spaľovanie kalu. Kal sa predupravuje homogenizáciou, vypieraním, chemicky a termicky. Homogenizáciou kalu vo vyrovnávacích a akumulačných nádržiach možno zredukovať výkyvy akosti. Vypieraním kalu sa podstatne zlepšuje jeho alkalita, mení sa akosť kalovej vody, odstraňujú sa produkty biochemického rozkladu a plyn z vyhnitého kalu. Vypraný kal má lepšiu schopnosť sedimentovať. Na vypieranie ja vhodná vyčistená odpadová alebo povrchová voda.

Cieľom chemickej predúpravy je koagulácia koloidných a suspendovaných látok, čím sa uvoľňuje adhézna kalová voda. Na koaguláciu čistiarenských kalov používame zlúčeniny železa a hliníka. Technologická linka chemickej predúpravy kalu má podobnú skladbu ako pri koagulácii odpadových vôd. Intenzívnejší účinok majú organické flokulanty, ktoré vytláčajú tradičné chemikálie.

Termická predúprava má podobný vplyv na kal ako pridávanie chemikálií.

Termické procesy rozdeľujeme podľa teploty na vymrazovacie (uskutočňujú sa v oblasti záporných teplôt a patrí k finančne náročným procesom) a ohrievanie, ktoré sa často kombinuje s hygienizáciou, sušením a spaľovaním. Druh termického procesu závisí od teploty, prítomnosti kyslíka a tlaku.

Zahusťovanie, odvodňovanie a vysušovanie kalu

Zahusťovanie patrí k nevyhnutným procesom pred stabilizáciou kalu, čím sa zmenšuje vodnatosť na 85 - 95 %, čo predstavuje zreteľnú redukciu objemu. Zahusťovanie sa realizuje sedimentáciou, flotáciou príp. inými spôsobmi. Zahusťovanie sedimentáciou patrí k najlacnejším a prevádzkovo najjednoduchším. Pri zahusťovaní sedimentáciou sa využíva vlastná tiaž častíc. Celý proces má tri fázy:
1. voľná sedimentácia,
2. deformácia,
3. kompresia,
čo je podmienené vysokou koncentráciou častíc. Návrh zahusťovacej krivky vychádza z krivky celkovej intenzity toku častíc.

Zahusťovacie nádrže sú rôznej konštrukcie, v závislosti od druhu kalu. Najjednoduchším je zahusťovanie priamo v sedimentačných nádržiach. V kruhových sedimentačných nádržiach sa môže zahusťovanie zintenzívniť miešaním kolmými tyčami, ktoré sú upevnené na zhrabovači v priestore kalovej priehlbni. Pred vyhnívaním sa kal priamo zahusťuje v akumulačných nádržiach. Zahusťovanie flotáciou je vhodné predovšetkým pre kal z aktivácie (tlaková flotácia alebo elektroflotácia). Perspektívnym sa javí zahusťovanie aktivovaného kalu vibračnou filtráciou a pásovým zahusťovačom.

Cieľom odvodňovania je znížiť obsah vody čistiarenského kalu až na 60%. Podľa konštrukcie odvodňovanie kalu delíme:
prirodzené - kalové polia, kalové lagúny
umelé - vákuové filtre, tlakové filtre, kalolisy, pásové lisy, odstredivky, vibračné a iné sitá. Kalové polia - najrozšírenejšie odvodňovacie zariadenia. Prvý druh je vhodný na odvodňovanie hrubozrnných a vyhnitých kalov. Odvodňovanie začína filtráciou cez filtračnú vrstvu vytvorenú zo štrku, piesku a drenáže.
Druhý druh - dekantačné kalové polia sa používa pre ťažšie odvodniteľný, ale rýchlo sedimentujúci kal. Takýto kal po vypustení na kalové pole sedimentuje a kalová voda sa objaví na povrchu. Uvedená voda sa dekantuje z hladiny. Časť kalovej vody sa odstráni filtráciou. Kalové polia sú veľmi náročné na plochy. Na kalových poliach možno odvodniť kal na 55 - 75 %.

Kalové lagúny - sú plytké zemné nádrže na uskladnenie , príp. na čiastočné odvodnenie kalov. Ak sa použijú na nevyhnitý kal, prebieha v nich vyhnívanie. Bývajú doplnené drenážou s dekantačným zariadením. Po odvodnení sa lagúna vyberá a opäť plní.

Vodnatosť kalu sa dosahuje 70 - 75 %.

Umelé odvodňovanie = odvodňovanie strojom, je ekonomicky výhodné v miestach s nedostatkom voľných plôch, a ak sa vyžaduje určitý stupeň odvodnenia vzhľadom na ďalšie spracovanie kalu. Vyžaduje si takmer vždy predúpravu kalu.Voľba strojového odvodňovacieho zariadenia závisí od množstva a kosti kalu. Organické minerálne kaly sa odvodňujú odstreďovaním a filtráciou. Na odstreďovanie sú najvýhodnejšie závitkové dekantéry jednosmerného alebo protismerného systému. Filtrácia prebieha zvyčajne na pásových lisoch. použitie vákuových filtrov sa obmedzilo na niektoré špeciálne druhy priemyselného kalu. Tlakové filtre sa navrhujú najmä pre minerálne kaly, príp. tam, kde sa vyžaduje nízka vodnatosť kalového koláča.

Vysúšaním kalu sa znižuje vodnatosť kalu na menej ako 50%. Tento proces je málo rozšírený a navrhuje sa len vtedy, keď sa kal využíva ako hnojivo, prísada do krmiva a pod. Vysúšanie kalu sa často kombinuje so spaľovaním. na vysúšanie sú vhodné bežné sušiarne (bubnová, pásová, prúdová, etážová).

Zneškodňovanie a využitie kalu

Väčšina nečistôt, mikroorganizmov aj vírusov prechádza pri čistení odpadových vôd do kalu. Využívaním kalu vzniká možnosť ich presunu do životného prostredia a opäť na človeka. Hygienizáciou kalu možno zlepšiť hygienicko-zdravotné vlastnosti kalu. Hygienizáciu vlhkého kalu robíme pasterizáciou, aeróbno-termofilnou stabilizáciou, chemicky pridávaním CaO a gama žiarením. Odvodnený kal sa hygienizuje kompostovaním na skládkach alebo v špeciálnych kompostárňach s pridaním slamy, drevných pilín, vápna a pod. Ak používame kal v poľnohospodárstve, hygienizácia je nevyhnutná.

Kým vyčistená odpadová voda sa vracia do povrchových vôd alebo inak využíva, kal tvorí odpad, ktorý sa deponuje na skládkach. Konečné zneškodnenie čistiarenských kalov sa robí likvidáciou, spaľovaním a jeho využitím. V súčasnosti sa likviduje zvyčajne na odkaliskách alebo na kontrolovaných skládkach. Kal v týchto objektoch musí byť uložený tak, aby sa zabránilo znečisteniu životného prostredia. Na odkaliskách a kontrolovaných skládkach sa deponujú najmä minerálne kaly. Spaľovanie kalov patrí zo stránky technickej, technologickej a ekonomickej k najnáročnejším. Cieľom spaľovania kalu je:
§ rozrušiť organické látky,
§ zlikvidovať mikroorganizmy,
§ znížiť objem kalu na minimum
§ a získať vhodný materiál na deponovanie.

Kvapalné kaly s viskozitou blízkou kvapalnej vode sa spaľujú vo fluidných peciach alebo cyklónových peciach. Pre odvodnené a vysušené kaly sú vhodné etážové alebo rotačné pece.

Osobitným druhom je mokré spaľovanie, splynovanie, pyrolýza a ďalšie procesy.

Kaly s vysokým obsahom organických látok sa používajú v rastlinnej a živočíšnej výrobe. Každý organický materiál možno použiť pre rast rastlín ak neobsahuje látka brzdiace rast rastlín, toxické látky, ktoré by mohli ohroziť zvieratá alebo človeka. Kaly s vysokým podielom bielkovín, škrobov a cukrov sa môžu použiť ako prísada do kŕmnych zmesí (pozor na obsah ťažkých kovov).









NITRIFIKÁCIA, DENITRIFIKÁCIA


V prírodných vodách rozoznávame anoxickú zónu, v ktorej existujú anoxické MO. Sú to tie, ktoré kyslík tolerujú, ale nedodáva sa, jeho zdrojom sú oxidované formy NO3-, NO2-, PO43-, SO42-.
Dusík v odpadových vodách môže byť prítomný ako: N org., NH4+, NO3-, NO2-, fosfor ako Porg., PO43- a síra ako S org., SO42-, SO32-. Zdrojom dusíka sú bielkoviny, aminokyseliny, ale spolu s fosfoorm je súčasťou pracích práškov, umelých hnojív a pod. Tieto organické zlúčeniny spôsobujú eutrofizáciu vôd, ktorej hlavné dôsledky sú nasledovné:
1. odbúravajú kyslík z vody,
2. neprepúšťajú pri nadmernom rozbujnení rias kyslík, čím bránia fotosyntéze,
3. neprepúšťajú slnečné svetlo a teplo,
4. voda nie je vhodná n rekreáciu, šport.

Nitrifikácia a denitrifikácia sú dva po sebe nasledujúce biologické procesy, prebiehajúce pri činnosti mikroorganizmov, ktorými sa odstraňujú dusíkaté látky z vôd. Pri nitrifikácii sa amoniak a amónne soli menia na dusičnany a dvoch fázach:
V prvej fáze sa amoniak oxiduje na kyselinu dusitú:

NH4+ + 1,5 O2 NO2- + H2O + 2 H2+ + energia,

ktorá sa v ďalšej fáze oxiduje na kyselinu dusičnú:

NO2- + 0,5 O2 NO3- + energia.

Mikroorganizmy, ktoré spôsobujú nitrifikáciu sú autotrofné, striktne aeróbne baktérie. Prvú fázu uskutočňuj rody Nitrosomonas, Nitrosocystis a Nitrosospira a druhú Nitrobacter. Tieto mikroorganizmy vyžadujú prítomnosť kyslíka a zdrojom uhlíka je oxid uhličitý. Hlavné faktory, ovplyvňujúce biologickú nitrifikáciu sú:
1. nízka koncentrácia organických látok,
2. dostatočná koncentrácia rozpusteného kyslíka (najmenej 2 mg.l-1),
3. teplota (optimálna teplota pre čistiarenské zariadenie je 20 0C),
4. pH (optimálne 8 - 9),
5. prítomnosť CO2 alebo HCO3-,
6. neprítomnosť toxických látok.

V podmienkach mestských mechanicko-biologických čistiarní odpadových vôd sa v aktivovanom kale pri spoločnej asimilácii organického uhlíka a nitrifikácii dosahuje nízke zastúpenie nitrifikačných baktérií - asi do 1,5 %, hoci nitrifikačné baktérie sa nachádzajú v každej splaškovej odpadovej vode. ak by sa dosiahlo v biomase vyššie zastúpenie nitrifikačných baktérií, napr.

zvýšením hodnoty veku kalu, možno očakávať, že nitrifikácia bude prebiehať rýchlosťami prijateľnými aj v technologickej praxi. Vyšší vek umožňuje nitrifikačným baktériám udržať sa v systéme a vytvárať vhodnú nitrifikačnú populáciu. Nitrifikácia vzniká pri veku kalu 3 dni a vyššie. Závislosť koncentrácie amoniakálneho dusíka vo vyčistenej vode od času zdržania nerozpustených látok v systéme ukazuje, že pri veku kalu nižšom ako 3 dni nitrifikácia neprebieha.

Pretože nitrifikácia vyžaduje vyšší vek kalu, boli navrhnuté systémy s dvojstupňovou aktiváciou na oxidáciu dusíkatých látok. V prvom stupni, vysokozaťaženom, sa odstráni hlavná časť uhlíkového znečistenia a v druhom stupni, nitrifikačnom, prebieha oxidácia dusíkatých zlúčenín. Oba stupne majú vlastné dosadzovacie nádrže s recirkuláciou kalu. Dvojstupňový systém zabezpečuje priebeh nitrifikácie spoľahlivejšie, je však prevádzkovo zložitejší a vyžaduje vyššie investičné a prevádzkové náklady. V aktivačných nádržiach sa odporúča udržiavať koncentráciu rozpusteného kyslíka 2 - 3 mg.l-1. Optimálny rast nitrifikačných baktérií bol pozorovaný v rozsahu od 8 - 9 pH. pri hodnotách menších ako 7 možno pozorovať podstatné zníženie aktivity nitrifikačných baktérií. Aj keď nitrifikácia prebieha vo veľkom rozsahu teplôt, každé zníženie teploty znižuje rýchlosť reakcie.

Pri premene amoniaku na dusičnany vzniká minerálna kyseliny. Ak je alkalita prostredia nedostatočná, bude pH v systéme klesať a nitrifikáciu bude inhibovať. V závislosti od tlmivej kapacity odpadovej vody treba na udržanie hodnoty pH asi 5,4 kg hydratovaného vápna na 1 kg zoxidovaného amoniakálneho dusíka.

Pri denitrifikácii sa dusičnany biologicky redukujú až na plynný dusík, ktorý uniká do atmosféry. Denitrifikáciu uskutočňujú heterotrofné, striktne alebo fakultatívne anaeróbne baktérie, ktorých väčšina sa bežne vyskytuje v čistiarňach odpadových vôd (napr. rody Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus). Tieto baktérie vyžadujú uhlík v podobe ľahko rozložiteľných organických látok a neprítomnosť rozpusteného molekulového kyslíka. Pri aeróbnych podmienkach jednoduché organické látky sa zoxidujú na CO2 a vodu a až pri anoxických podmienkach v prítomnosti dusičnanov dochádza k denitrifikácii.

Uvdené heterotrofné baktérie pre rozklad organických látok vyžadujú kyslík, v jeho neprítomnosti využívajú nitrátovú respiráciu:

C6H12O6 + 4 NO3- 6 CO2 + 2N2

Hlavné faktory, ovplyvňujúce biologickú denitrifikáciu sú:
· organické uhlíkaté látky,
· anoxické podmienky,
· teplota (optimálna pre čistiarenské zariadenie je 200C),
· pH (optimálne je 7 -8),
· neprítomnosť toxických látok.

Hoci závislosť od teploty pri biologickej denitrifikácii je menšia ako pri nitrifikácii, v porovnaní s konvenčnými biologickými metódami čistenia odpadových vôd (napr. aktivačným procesom) vykazuje výraznejšiu teplotnú citlivosť. Ako optimálna teplota sa uvádza 25 0C, ako minimálna 5 0C. Hodnota pH má vplyv na produkty denitrifikácie: pri viac ako 7,3 je konečným produktom plynný dusík, pod touto hodnotou sa zvyšuje podiel oxidu dusného.

Prítomnosť rozpusteného molekulového kyslíka výrazne spomaľuje denitrifikačný proces, pretože potláča syntézu disimilačných enzýmov ako akceptor bráni redukcii dusičnanov. Koncentrácia rozpusteného kyslíka, ktorá pôsobí inhibične na denitrifikačné organizmy v prípade kultivácie vo forme nárastu na tuhom podklade je 1 – 2 mg.l-1, v prípade kultivácie vo foriem suspenzie je asi 0,5 mg.l-1. Okrem kyslíka inhibične pôsobia chelatotvoné činidlá, kyanidy, chlorečnany a niektoré ťažké kovy.

Špecifickým problémom denitrifikácie je vhodný zdroj organického uhlíka na pokrytie energetických a rastových nárokov heterotrofných denitrifikačných baktérií. Pre nízku cenu, nízky koeficient produkcie biomasy a najvyššiu rýchlosť denitrifikácie ako zdroj organického uhlíka sa používa najmä metanol, disimiláciu ktorého môžeme vyjadriť rovnicou:

6 NO3- + 5 CH3OH 3N2 + 5 CO2 + 6 OH- + 7 H2O.