Waterkwaliteit 2: Natuur/chemie Prof. ir. Hans van Dijk 1 Afdeling Watermanagement Sectie Gezondheidstechniek
Inhoud hydrologische kringloop kwalitatief 1. regenwater 2. afstromend/oppervlaktewater. infiltratie in ondergrond (aëroob grondwater) 4. infiltratie in ondergrond (licht anaëroob grondwater) 5. infiltratie in ondergrond (diep anaëroob grondwater) 2
Regenwater
Kenmerken regenwater regenwater bijna 100 % zuiver regenwater bevat: N 2 14 mg/l O 2 10 mg/l CO 2 0,7 mg/l samenstelling regenwater: 25 mg/l opgeloste gassen 10 mg/l opgeloste vaste stoffen (vooral NaCl) zuurgraad 5,6-6,4 (door CO 2 ) nabij kust: verneveling --> hoger gehalte opgeloste stof NaCl stijgt van 5 naar 25 mg/l industrie --> stofdeeltjes, roet, vliegas 4
Gassen lucht water c s = k D c g c g c s t=2 t=1 c 0 t=0 waarde van verdelingscoëfficiënt k D gas 0 C 20 C stikstof zuurstof methaan kooldioxide zwavelwaterstof 0.02 0.049 0.055 1.71 4.690 0.016 0.0 0.04 0.942 2.870 5
Water treatment and nature Principle 1: Aeration/Gas transfer 6
Vervuiling regenwater verontreinigingen regenwater: zure regen vermesting zure regen: 2SO 2 + O 2 + 2H 2 O --> 2H 2 SO 4 + 2H 2 O --> 4H O + + 2SO 2-4 NO 2 + H 2 O --> HNO + H 2 O --> H O + + NO - CO 2 + 2H 2 O <--> HCO - + H O + vermesting: NH + H 2 O --> NH 4 + + OH - 7
Samenstelling regenwater gesuspendeerde en colloïdale stoffen gassen N 2, O 2, CO 2, NH negatieve ionen positieve ionen overige stoffen Cl -, SO 4 2-, NO -, HCO - H O +, Na +, NH 4 + Temp 0-20 C 8
Oppervlakte- en afstromend water 9
Vervuiling oppervlaktewater verontreiniging: erosie zelfreiniging: opname afgestorven dierlijk en plantaardig materiaal algengroei lozingen huishoudelijk en industrieel afvalwater bezinking afsterving afkoeling menging afbraak 10
Colloïdale en gesuspendeerde stoffen zwevende stofgehalte (mg/l) troebelheid (FTU) deeltjestellingen (aantallen/l) 11
Samenstelling oppervlaktewater gesuspendeerde en colloïdale stoffen klei, zand, organisch materiaal gassen N 2, O 2, CO 2 negatieve ionen positieve ionen overige stoffen >Cl -, >SO 4 2-, >NO -, >HCO -, >PO 4 - >Na +, >Ca 2+, >Hg 2+, >Pb 2+ Temp = 0-25 C virussen, BM, org. micros, bacteriën 12
Principle 2: Filtration 1
Principle : U.V. Disinfection 14
Soorten grondwater 15
Infiltratie in ondergrond, aëroob grondwater 16
Kenmerken aëroob grondwater Aëroob grondwater = Bodempassage --> afbraak organisch materiaal en ammoniak met zuurstof filtratie van zwevende stof, verwijdering troebelheid Nitrificatie NH 4+ + 2 O 2 + H 2 O --> NO - + 2 H O + daling ph Afbraak organisch materiaal --> stijging NO - CH 2 O + O 2 --> CO 2 + H 2 O daling O 2 Neutralisatie H O + + CaCO <--> Ca 2+ + HCO - + H 2 O stijging Ca 2+ --> stijging HCO - CO 2 + CaCO + H 2 O <--> Ca 2+ + 2 HCO - toename ph Indamping: toename concentratie zouten 17
Nitrificatie met neutralisatie ps Roodborn (Zuid Limburg) 50 4 NO - [mg/l] 40 0 20 10 Hardheid NO - 2 1 Totale hardheid [mmol/l] 0 0 1960 1970 1980 1990 jaar 18
Samenstelling aëroob grondwater gesuspendeerde en colloïdale stoffen gassen N 2, < O 2, > CO 2 negatieve ionen positieve ionen overige stoffen Cl -, SO 4 2-, > NO -, > HCO -, Na +, > Ca 2+, H O +, (Al + ) Temp = 9-10 C 19
Infiltratie in ondergrond, licht anaëroob grondwater 20
Kenmerken licht anaëroob grondwater Licht anaëroob grondwater = afbraak organisch materiaal zonder zuurstof maar met nitraat Denitrificatie met organisch materiaal 5 CH 2 O + 4 NO - --> 2 N 2 + 4 HCO - + CO 2 + H 2 O gevolg: verdwijnen NO -, toename HCO -, ph blijft gelijk Oplossen ijzersulfide/pyriet FeS --> Fe 2+ + S 2- toename Fe 2+ --> toename H 2 S S 2- + 2 H O + --> H 2 S + 2 H 2 O toename Mn 2+ en NH + 4 Tevens neutralisatie 21
Samenstelling licht anaëroob grondwater gesuspendeerde en colloïdale stoffen gassen N 2, > CO 2, H 2 S negatieve ionen positieve ionen overige stoffen Cl -, SO 4 2-, > HCO - Na +, > Ca 2+, Fe 2+, Mn 2+, NH 4 + Temp = 9-10 C 22
Infiltratie in ondergrond, diep anaëroob grondwater 2
Kenmerken diep anaëroob grondwater Diep anaëroob grondwater = afbraak organisch materiaal zonder zuurstof en nitraat, maar met vorming van methaan en H 2 S Sulfaat reductie SO 2-4 + 2 CH 2 O H 2 S + 2 HCO - Methaanvorming uit organisch materiaal 2 CH 2 O CH 4 + CO 2 Tevens neutralisatie 24
Samenstelling diep anaëroob grondwater gesuspendeerde en colloïdale stoffen gassen N 2, > CO 2, > H 2 S, CH 4 negatieve ionen positieve ionen overige stoffen Cl - < SO 4 2-, > HCO - Na +, > Ca 2+, Fe 2+, Mn 2+, NH 4 + Temp = 9-10 C 25
Principle 4: Precipitation of CaCO 26
Koolzuur systeem van CO 2, HCO - en CO 2- bepaalt ph en samenstelling van water CO 2 afkomstig van: uitwisselingsprocessen tussen water en atmosfeer concentratie CO 2 in evenwicht met atmosfeer 0,7 mg/l biologische productie aërobe en anaërobe processen concentratie CO 2 door aërobe en anaërobe processen enige tientallen tot honderden mg/l als gevolg van CO 2 lost carbonaat houdend gesteente op CaCO + CO 2 + H 2 O <--> Ca 2+ + 2 HCO - 27
Evenwichtsreacties Koolzuur komt in vormen voor: CO 2, HCO -, CO 2- De volgende reacties zijn van belang: CO 2 + 2 H 2 O <--> H O + + HCO - K 1 = [H O + ] [HCO [CO ] 2 ] K 1 (T=10 C) =,44 10-7 HCO - + H 2 O <--> H O + + CO 2- K [HO + ] 2 = [HCO [CO ] 2 ] K 2 (T=10 C) =,25 10-11 28
CO 2 -HCO -CO diagram ph of natural water 7-8, so predominantly CO 2 and HCO - 29
Bepaling ph uit %-ph diagram 4< ph < 8, pk 1 = 6, ph = pk 1 CO log HCO 2 [CO 2 ] = 100 [HCO - ] ph = 4, [CO 2 ] = 10 [HCO - ] ph = 5, [CO 2 ] = 1 [HCO - ] ph = 6, [CO 2 ] = 0,1 [HCO - ] ph = 7, [CO 2 ] = 0,01 [HCO - ] ph = 8, 8< ph < 1 pk 2 = 10, ph = pk 2 HCO log CO 2 [HCO - ] = 10 [CO 2- ] ph = 9, [HCO - ] = 1 [CO 2- ] ph = 10, [HCO - ] = 0,1 [CO 2- ] ph = 11, 0
Kalk-koolzuur evenwicht CaCO --> Ca 2+ + CO 2- (K s ) CO 2 + 2H 2 O <--> HCO - + H O + (K 1 ) CO 2- + H O + <--> HCO - + H 2 0 (K 2 ) -1 -------------------------------------------------------------------- + CaCO + CO 2 +H 2 O <--> Ca 2+ + 2HCO - 2+ [Ca ] [HCO] K z = = [CO ] 2 2 K s K 1 K -1 2 Bij 10 C -9,89 10,44 10 Kz = = 4,11 10-11,25 10-7 -5 1
Chemical aspects Tillmans curve CaCO + CO 2 +H 2 O <--> Ca 2+ + 2 HCO - [Ca 2+ ] [HCO [CO ] 2 ] 2 = K a at 10 C --> K a = 4.11 10-5 [HCO - ] =2 K a [CO 2 ] [Ca 2+ ] = 1/2 [HCO - ] At 10 C 0.7 g/m CO 2,equilibrium = 0.016 mmol/l [HCO - ] = (2 4.11 10-5 1.6 10-5 ) 0. = 0.0011 mol/l =1.1 mmol/l [Ca 2+ ] = 0.5 [HCO - ] = 0.55 mmol/l Due to subsurface reduction processes, CO 2 concentration will increase to several tens of g/m --> higher hardness [HCO - ] = 8.22 10-5 [CO 2 ] 2
Chemical aspects T = 10 C, I = 5 mmol/l 5 ph = 6 1 mmol CO 2 2 mmol HCO - AC = aggressive CO 2 AD = redundant CO 2 DE = equilibrium CO 2 CO2 [mmol/l] 4 2 1 0 A B C D E 0 1 2 4 5 6 7 8 HCO- [mmol/l] ph = 7 ph = 8
Chemical aspects Softening with Tillmans curve dosing chemical CO2 [mmol/l] 5 4 2 1 0 1-2 neutralization Ca(OH) 2 + 2 CO 2 Ca 2+ + 2 HCO - 2 - softening Ca 2+ + 2 HCO - CaCO + CO 2 + H 2 O ph = 6 1 T = 10 C, I = 5 mmol/l 0 1 2 4 5 6 7 8 1:1 1:2 HCO- [mmol/l] 2 ph = 7 ph = 8 4
Water treatment for conditioning and softening 5