BIOLOGIA OSADU CZYNNEGO – biotechnologia środowiska II0

BIOLOGIA OSADU CZYNNEGO – biotechnologia środowiska II0
Wybrane parametry fizyko-chemiczne osadu czynnego
Ćwiczenie 8
pH wody i ścieków
3
Odczyn roztworu określa stężenie, a ściślej aktywnośd jonów wodorowych wyrażoną w molach na dm . Ponieważ stężenia jonów wodorowych
zmieniają się w zakresie kilkunastu rzędów wielkości, ze względów praktycznych posługujemy się wartościami pH. Symbol ten oznacza ujemny
logarytm stężenia jonów wodorowych .
pH = -log [H+]
Według skali wykładniczej pH, roztwory kwaśne odpowiadają warunkowi pH<7, a roztwory zasadowe pH>7, a roztwory obojętne pH = 7.
Odczyn wód naturalnych zawarty jest w granicach pH 6,5 – 8,5. Różnice te spowodowane są przede wszystkim różną zawartością dwutlenku
węgla. Poza tym pH wód naturalnych zależy od obecności słabych kwasów organicznych i soli, których jony ulegają protolitycznej reakcji z
wodą.
Protolitycznej reakcji z wodą ulegają jony pochodzące od soli:
silnego kwasu i słabej zasady np. NH4Cl (kationy + woda - odczyn kwaśny)
słabego kwasu i silnej zasady np. CH3COONa (aniony + woda - odczyn zasadowy)
słabego kwasu i słabej zasady np. CH3COONH4 (aniony i kationy + woda – odczyn kwaśny lub zasadowy)
Kationy i aniony pochodzące od soli silnych kwasów i silnych zasad nie ulegają protolitycznej reakcji z wodą. W wodach naturalnych
protolitycznej reakcji ulegają np. jony żelaza(II) i żelaza(III). Podczas protolitycznej reakcji jonów żelaza(II) z wodą powstają jony wodorowe i
jednocześnie wytrąca się wodorotlenek żelaza(II). Związek ten jest łatwo utleniany tlenem rozpuszczonym w wodzie i przechodzi w trudniej
rozpuszczalny wodorotlenek żelaza(III). Powstające jony wodorowe są zobojętniane przez wodorowęglany znajdujące się w wodach
naturalnych w myśl równania:
Obecne w wodach naturalnych dwutlenek węgla i wodorowęglany mogą zobojętnid pewną ilośd mocnych kwasów mineralnych, jak również
pewną ilośd mocnych zasad wprowadzonych do tych wód. Zobojętnienie mocnych zasad w wodach naturalnych następuje na skutek reakcji
tych zasad z wolnym dwutlenkiem węgla rozpuszczonym w wodzie zgodnie z równaniem:
Stałośd lub małą zmiennośd pH wód naturalnych po wprowadzeniu do nich pewnej ilości mocnych kwasów lub zasad zapewnia istnienie układu
2buforowego ( CO3 , HCO3 ) zależnego od zawartości w wodzie dwutlenku węgla i wodorowęglanów (równowaga wodorowęglanowowęglanowa).
+
Stężenie jonów H takiego układu wyraża się równaniem:
Po zlogarytmowaniu równania otrzymujemy:
Wyrażenie po przemnożeniu przez (–1) i uporządkowaniu przyjmuje postad:
-7
Podstawiając w równaniu za K1 wartośd 4,3 . 10 otrzymujemy ostateczny wzór do obliczania pH wód naturalnych:
3
[CO2] – stężenie równowagowe wolnego dwutlenku węgla, czyli kwasowośd ogólna, (mval/dm )
3
[HCO3 ] – stężenie równowagowe wodorowęglanów, czyli zasadowośd wody m, (mval/dm )
W wodach bardzo miękkich o małej zasadowości, jak np. w wodach pochodzących z torfowisk, znaczna ilośd żelaza(II) ulega protolitycznej
+
reakcji z wodą i powstają jony H . Mamy z tym do czynienia wówczas, gdy zawartośd wodorowęglanów rozpuszczonych w wodzie nie wystarcza
do całkowitego zobojętnienia jonów wodorowych. W tych warunkach pH wody wynosi poniżej 4,6. Ma ona charakter silnie korozyjny. Wody
zanieczyszczone ściekami przemysłowymi mogą wykazywad odczyn silnie kwaśny (pH około 4,6), bądź alkaliczny (pH powyżej 8,3). Niekiedy
alkaliczny odczyn wody pojawia się również przy wzmożonej fotosyntezie. Niewielka zmiana pH ma istotny wpływ na przebieg wielu zjawisk
fizykochemicznych i biologicznych zachodzących w wodzie. Z tego też powodu dopuszczalne wartości pH ścieków odprowadzanych do
zbiorników wód powierzchniowych normują określone przepisy prawne.
pH wody przeznaczonej do picia powinno wynosid 6,5 – 9,5.(Dz.U. 2007r., Nr 61, poz. 417).
Do oznaczania pH wody powierzchniowej stosuje się najczęściej metody: kolorymetryczną (według PN – 90/C – 04540,01), elektrometryczną (z
użyciem pH – metru).
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Ćwiczenie 8
BIOLOGIA OSADU CZYNNEGO – biotechnologia środowiska II0
Wybrane parametry fizyko-chemiczne osadu czynnego
Zasadowośd wody i ścieków
Zasadowośd to zdolnośd wody do zobojętniania mocnych kwasów mineralnych wobec umownych wskaźników. Właściwośd tę nadają wodzie
wodorowęglany, węglany oraz rzadziej wodorotlenki, borany, krzemiany i fosforany. W wodach o pH poniżej 8,3 występują przeważnie
wodorowęglany wapnia, magnezu i żelaza, rzadziej wodorowęglany sodu (zasadowośd alkaliczna). Są to sole kwasu węglowego typu:
Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, Fe(HCO3)2, NaHCO3.
W wodach zanieczyszczonych ściekami przemysłowymi o odczynie zasadowym (pH powyżej 8,3), obok anionów słabych kwasów, jak np. HCO3 ,
222CO3 , H2PO4 , HPO3 , SiO3 , mogą występowad jony OH pochodzące od mocnych zasad (zasada sodowa i potasowa). Aniony słabych kwasów
ulegają protolitycznej reakcji z wodą z wytworzeniem jonów wodorotlenowych, np.:
Wyróżnia się tzw. zasadowośd p (oznaczaną wobec fenoloftaleiny), występującą powyżej pH 8,3 oraz zasadowośd ogólną m, gdy pH jest
większe niż 4,6.
Zasada oznaczenia zasadowości polega na określeniu zawartości związków reagujących w wodzie zasadowo wobec odpowiedniego wskaźnika.
Zasadowośd oznacza się przez miareczkowanie badanej wody mianowanym roztworem mocnego kwasu, najpierw wobec fenoloftaleiny, a
następnie wobec oranżu metylowego. Podczas oznaczania zasadowości zachodzą następujące reakcje:
Na podstawie wartości zasadowości p i m można obliczyd zawartośd poszczególnych jonów powodujących zasadowośd wody. W zależności od
wartości p i m możliwe są następujące układy:
3
Zasadowośd m i p w powyższych wzorach wyrażona jest w milivalach na dm . Podane założenia są słuszne, jeżeli badana woda nie zawiera
2innych związków zasadowych oprócz HCO3 , CO3 i OH .
Zasadowośd wody ma duże znaczenie techniczne i gospodarcze, natomiast znaczenie higieniczne jest drugorzędne.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Ćwiczenie 8
BIOLOGIA OSADU CZYNNEGO – biotechnologia środowiska II0
Wybrane parametry fizyko-chemiczne osadu czynnego
Kwasowośd wody powodują: wolny CO2, kwasy mineralne i organiczne (np. humusowe) oraz produkty hydrolizy soli obecnych w wodzie. Jeżeli
pH wody jest mniejsze od 4,6 wówczas występuje kwasowośd mineralna i woda charakteryzuje się silnie korozyjnymi właściwościami wobec
betonu i metali.
Kwasowośd ogólna występuje w zakresie pH 4,6 - 8,3. W tym przedziale pH współwystępują: kwasowośd ogólna i zasadowośd ogólna, gdyż są
powodowane występującymi równocześnie wodorowęglanami i kwasem węglowym. Pojemnośd buforowa wody pozwala zobojętniad pewne
ilości mocnych kwasów nieorganicznych, jak i pewną ilośd mocnych zasad, nie powodując zmiany lub jedynie nieznacznie zmieniając wartośd
pH wody. Nagła zmiana wartości pH, będąca wynikiem zanieczyszczenia wody, powoduje przekroczenie pojemności buforowej. Skutkiem tego
są niekorzystne zmiany w biocenozie wodnej. Kwasowośd mineralna bardzo rzadko występuje w wodach powierzchniowych nie
zanieczyszczonych. Kwasowośd ogólna wody nie ma znaczenia higienicznego, lecz duże znaczenie gospodarcze.
Cel dwiczenia
Celem dwiczenia jest ocena wybranych parametrów fizyko-chemicznych osadu czynnego: stężenie osadu, zasadowośd, pH,
indeks objętościowy osadu.
Wykonanie dwiczenia
1.
-
Odczynniki stosowane w analizie:
osad czynny
roztwór fenoloftaleiny 1%
0,1N HCl
roztwór oranżu metylowego
2.
Stężenie biomasy osadu czynnego
2.1. Oznaczanie suchej masy osadu czynnego
2.1.1. 15 minut przed rozpoczęciem pomiaru włączyd wagosuszarkę – urządzenie musi się nagrzad.
2.1.2. Po 15 minutach otworzyd wieko wagosuszarki, umieścid w niej wieczko szalki Petriego i nacisnąd dwukrotnie
przycisk TARE- tarując wagosuszarkę z szalką.
2.1.3. Na szalkę Petriego wprowadzid 5ml wymieszanego osadu czynnego – zanotowad masę osadu!. Zamknąd
pokrywę wagosuszarki.
0
2.1.4. Nacisnąd przycisk F1 (programowanie temperatury) i klawiszem F2 ustawid temperaturę – 104 C.
2.1.5. Nacisnąd klawisz F1 (czas próbkowania) i klawiszem F2 ustawid czas próbkowania – 5 lub 10.
2.1.6. Nacisnąd klawisz F1 – pojawi się komunikat na wyświetlaczu READY – potwierdzid ponownie naciskając F1 –
rozpoczyna się pomiar. Wynik podawany jest w % wilgotności próbki. Pomiar prowadzid do momentu
uzyskania stałej wartości wilgotności (wagosuszarka sama zakooczy pomiar po ok. 20-30 minutach).
2.1.7. Zapisad wynik i wyliczyd suchą masę analizowanej próbki. Zakooczyd pomiar naciskając klawisz TARE –
otworzyd pokrywę wagosuszarki, wyciągnąd szalkę z osadem, zamknąd i wyłączyd urządzenie. Szalkę Petriego
dokładnie umyd.
3
2.2. Stężenie wyrazid jako g suchej masy osadu/ m ścieków
3
Najczęściej stężenie wynosi od 2000-5000 g S.M./m
3.
Indeks osadu czynnego (Mohlmanna) IO
Charakteryzuje zdolnośd zawiesin osadu czynnego do sedymentacji w osadniku wtórnym. Jest to stosunek objętości osadu
3
czynnego po 30 minutach zagęszczania w cylindrze 1 dm do stężenia osadu w cylindrze przed zagęszczaniem.
3.1. Oznaczenie objętości kłaczków w osadzie czynnym
3
3
3.1.1. Do cylindra miarowego o pojemności 50 lub 100 cm wlad 50 lub 100 cm wymieszanego osadu czynnego.
Odstawid na 30 minut.
3
3.1.2. Po sedymentacji określid objętośd kłaczków w cm .
3
3.2. Wynik suchej masy osadu (p. p. 2.1.) przeliczyd i podad w g/ 50 lub 100 cm .
3.3. Obliczanie IO
gdzie:
3
Vos – objętośd osadu po 30 minutach sedymentacji *cm ]
3
X – stężenie osadu w cylindrze przed zagęszczaniem *g s.m./ 50 lub 100 cm ]
4.
Oznaczenie zasadowości
4.1. Przygotowanie próby do badao
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Ćwiczenie 8
BIOLOGIA OSADU CZYNNEGO – biotechnologia środowiska II0
Wybrane parametry fizyko-chemiczne osadu czynnego
3
Zmontowad zestaw do filtracji próżniowej, użyd sączka celulozowego 0.45µm. Pobrad ok. 40 cm ścieków pipetą szklaną
i przenieśd do lejka pompki próżniowej. Całośd przefiltrowad. Po zakooczeniu filtracji zlad klarowny przesącz z kolby
3
filtracyjnej do kolbki stożkowej o pojemności 50 cm . Następnie umyć dokładnie cały zestaw do filtracji !
3
3
4.2. Do kolby stożkowej o pojemności 100 cm odmierzyd pipetą 10 cm przefiltrowanego przesączu (pozostałą częśd
3
zachowad do pomiaru pH), dopełnid wodą destylowana do objętości 50 cm (rozcieoczenie uwzględnid w obliczeniach)
4.3. Dodad 3-5 kropli fenoloftaleiny do uzyskania czerwonego zabarwienia
4.4. Miareczkowad za pomocą 0,1N HCl do odbarwienia roztworu. Odczytad i zanotowad objętośd zużytego kwasu.
4.5. Dodad 2-3 krople oranżu metylowego i miareczkowad tym samym kwasem do zmiany barwy z żółtej na pomaraoczową.
4.6. Odczytad objętośd zużytego kwasu i obliczyd zasadowośd M i P wg wzorów:
Gdzie:
V1 – objętośd 0,1N HCl zużytego do miareczkowania próbki wobec fenoloftaleiny
V2 – objętośd 0,1N HCl zużytego do miareczkowania próbki wobec oranżu metylowego
Vw – objętośd przesączu użytego w oznaczeniu
n – normalnośd kwasu solnego
5.
Pomiar pH
5.1. Dokonad pomiaru pH w pozostałym po filtracji przesączu osadu czynnego.
6.
Opracowanie wyników
Wyniki zestawid w tabeli.
oznaczenie
pH
Stężenie biomasy osadu czynnego
Objętośd osadu po 30 minutach sedymentacji
Zasadowośd P (wobec fenoloftaleiny)
Zasadowośd M (wobec oranżu m.)
wyniki
W sprawozdaniu umieścid tabelę z wynikami, oraz obliczeniami. Sprawozdanie podsumowad wnioskami na temat jakości
osadu czynnego.
7.
Literatura
7.1. Minczewski J., Marczenko Z., chemia analityczna. Chemiczne metody analizy ilościowej, PWN, Warszawa 1998.
7.2. Dymaczewski Z., Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków. Polskie Zrzeszenie inż. I tech. Sanitarnych, Poznao, 1997.
7.3. Hermanowicz W., Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków, Arkady, Warszawa, 1999.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba