SUW Granica - problemy i rozwiązanie

Diagnostyka analityczno - technologiczna układu

W pierwszej kolejności przeanalizowano pracę układu napowietrzającego. Kontroli poddano m.in. czasy przetrzymania wody w układzie aeracji oraz efektywność pracy aeratora pod kątem uzyskiwanego stężenia tlenu. Ze względu na różnice w średniej godzinowej produkcji wody na SUW kształtujące się w granicach 50 m3/h poza sezonem do 200 m3/h w lecie, czasy przetrzymania wody w aeratorze wahały się w granicach 30 - 130 s. Jednocześnie efektywność natleniania wody w eksploatowanym urządzeniu była niska, w wyniku czego stężenie tlenu po aeracji mierzone na filtrach, w godzinach maksymalnych wzrastało do 5,0 - 5,5 mgO2/L. Wartość ta mogłaby nie budzić tak dużego niepokoju (z punktu widzenia funkcjonowania aeratora) gdyby była rzeczywistym wzrostem stężenia tlenu pomiędzy wodą surową, a napowietrzona. W sytuacji SUW Granica zaobserwowano jednak, że stężenie tlenu w wodzie surowej, na wlocie na SUW wynosi nawet do 4,0 mgO2/L. Czyli rzeczywista efektywność aeratora, z punktu widzenia natleniania wody wynosi zaledwie 20 - 30%. Jak wspomniano w poprzednim punkcie, efektywność tą uzyskuje się przy bardzo wysokim stosunku ilości doprowadzanego powietrza do wody (1 Nm3/1 m3). Jednocześnie zmniejszając przepływ powietrza raptownie spada skuteczność natleniania. Maksymalna ilość tlenu, jaką można wprowadzić dla istniejących warunków technicznych, niestety limituje pracę układu filtracji, zwłaszcza pod kątem usuwania azotu amonowego. Zgodnie z przedstawionymi w punkcie wcześniejszym danymi dotyczącymi jakości ujmowanej wody z poszczególnych studni, można wyróżnić odwierty o wysokim stężeniu amoniaku. Przy pozostawieniu układu napowietrzania w niezmienionym stanie konieczne jest łączenie poszczególnych studni (o dużym i niskim stężeniu amoniaku), by średnia zawartość N-NH4/L znalazła pokrycie w stężeniu tlenu po układzie aeracji, umożliwiającym prowadzenie procesu nitryfikacji.

Odrębnym zagadnieniem są uwarunkowania techniczne konstrukcji aeratora, które rzutują na możliwość uzyskiwania stężenia tlenu w wodzie. Tematyka ta zostanie poruszona w jednym z kolejnych artykułów, prezentowanych na stronie internetowej.

Ważnym elementem konstrukcyjnym układu napowietrzającego jest zawór odpowietrzający na aeratorze. Jego właściwe funkcjonowanie rzutuje na wiele aspektów prawidłowej pracy ciągu technologicznego związanych np z prawidłowym odżelazianiem wody.

Generalnie analiza wskazała na docelową konieczność modernizacji systemu aeracji poprzez m.in. wymianę urządzenia, bądź całkowite przeprojektowanie układu wstępnego, ale jednocześnie bardzo istotnego elementu uzdatniania wody podziemnej.

Aerator i zbiornik sprężonego powietrza na SUW Granica

Kolejnym elementem analizy (bodaj najistotniejszym z punktu widzenia prawidłowej pracy omawianego układu) jest sam proces filtracji wody.

Spośród elementów typowo technicznych wpływających na uzyskiwane wyniki uzdatniania wody sprawdzono:

• Rozdział wody surowej (napowietrzonej) na poszczególne filtry,

• Stan złóż filtracyjnych zasypanych do filtrów pod kątem, przede wszystkim:

  	+ Wysokości złóż w poszczególnych filtrach,
  
   
  	+ Uziarnienia materiału filtracyjnego 

• Stan urządzeń odpowietrzających na filtrach

Badania technologiczne pozwoliły określić m.in.:

• Zależność uzyskiwanych efektów usuwania żelaza i manganu od obciążenia złóż filtracyjnych,

• Zależność uzyskiwanych efektów odżelaziania i odmanganiania wody w funkcji czasu pracy filtra w jednym cyklu filtracyjnym,

• Zależność efektywności odżelaziania i odmanganiania wody od składu jakościowego ujmowanej wody surowej.

Wyniki kontroli technicznej wskazały na:

• Brak możliwości kontroli obciążenia poszczególnych filtrów (regulowanych na odpływie przy użyciu przepustnic), w wyniku, czego duże nierównomierności w obciążeniu kolejnych filtrów (szczególnie istotne w sytuacji nieprawidłowej pracy układu odpowietrzającego aerator, gdy na filtry prowadzona była emulsja wodno - powietrzna) prowadziły do przeciążania jednych złóż kosztem innych, szczególnie widoczne w sytuacji, gdy filtry płukane były w różne dni,

• Ubytki złóż filtracyjnych w poszczególnych zbiornikach, w różnej ilości (największy ubytek złoża wyniósł ok. 30 cm) co przy generalnie niewysokiej warstwie filtracyjnej (dla półek dolnych, wspomnianych 80 cm) stanowiło spory procent całkowitej ilości złoża,

• Ubytki dotyczyły głównie najdrobniejszej frakcji materiału filtracyjnego (warstwa o uziarnieniu 0,8 - 1,4 mm) w wyniku czego wyraźnemu zachwianiu i ograniczeniu ulegała skuteczność usuwania żelaza z wody, limitująca oczywiście efektywność odmanganiania, realizowaną na wykształconych powłokach MnO2,

• Zmniejszenie wysokości złóż filtracyjnych przypuszczalnie związane było z pewnymi niedociągnięciami w procesie płukania filtrów - zwłaszcza płukania wodą i powietrzem, kiedy to można z pewnym przybliżeniem stwierdzić, że jednoczesne płukanie wodą i powietrzem wywołuje zjawiska takie jak w pompie mamutowej, które polegają na wynoszeniu materiału stałego (w przypadku filtrów najdrobniejszych frakcji złoża) poza zbiornik; minimalizacja negatywnych efektów tego zjawiska wiąże się ze zmianami procedur płukania filtrów (w zakresie udziału poszczególnych mediów w mieszance wodno-powietrznej, jak i momentu włączenia i wyłączenia płukania mieszaniną),

Natomiast wyniki badań i analiz technologicznych wskazał, że do podstawowych czynników wywołujących problemy z odżelazianiem i odmanganianiem wody należą:

• Zbyt wysoka strefę odżelaziania wody ustaloną na podstawie przeliczeń technologicznych, która wiązała się z następującymi czynnikami pośrednio wymienionymi wcześniej tj: ubytkami złoża filtracyjnego, większym uziarnieniem istniejących (pozostałych) warstw filtracyjnych, znacznym przeciążaniem złóż - wysokimi prędkościami filtracji i kiepskim utlenieniem żelaza przed filtracją.

W następstwie tego następowało dość głębokie przenikanie żelaza w złoże, co skutecznie ograniczało proces odmanganiania wody. Żelazo przenikało przez cały pierwszy stopień filtracji, docierając na drugi stopień filtracji z założenia przeznaczony do usuwania manganu w toku procesów katalitycznych. W konsekwencji przyrastające powłoki manganowe były systematycznie „rozładowywane" przez żelazo (przede wszystkim na drugim stopniu utlenienia). W efekcie nie uzyskiwano trwałego efektu usunięcia manganu. Niekorzystną sytuację potęgował jeszcze fakt, iż w określonych sytuacjach (zwłaszcza w sezonie letnim) prędkości filtracji na złożach kwarcowych dochodziło do wartości > 12,0 m/h co powodowało przenikanie żelaza przez oba stopnie filtracji. Ostatecznie okresowo przekroczone było zarówno żelazo jak i mangan,

• Zbyt krótki cykl filtracyjny zarówno na pierwszym jak i na drugim stopniu filtracji, który nie pozwalał na maksymalne wykorzystanie pojemności masowej złóż filtracyjnych oraz na skuteczny rozrost powłok manganowych na drugim stopniu filtracji. Oprócz zjawisk niekorzystnych technologicznie, częste płukanie wiązało się ze wzrostem kosztów eksploatacji Stacji. Uzyskiwany stosunek ilości wody zużytej na płukanie do ilości wody wyprodukowanej na danym filtrze kształtował się niekorzystnie (średnio na poziomie ok. 3 - 5 %). Przeprowadzone badania technologiczne, polegające na kontroli stężenia żelaza i manganu w kolejnych godzinach cyklu filtracyjnego wykazała, że z punktu widzenia stężenia żelaza możliwe jest (w określonych sytuacjach technologicznych) wydłużenie cyklu filtracyjnego nawet kilkukrotnie (5 - 7 krotnie). Na wykresach poniżej zamieszczono przykładowy rozkład stężenia żelaza i manganu w trakcie trwania cyklu filtracyjnego dla dwóch wybranych filtrów: FI i FIV.

Różnice w kształcie poszczególnych krzywych rozkładu stężenia żelaza w wodzie po filtracji dostarczają wielu ciekawych informacji analitycznych. Badania były wykonywane przy prędkości filtracji wynoszącej ok. 6,0 m/h i stężeniu żelaza w wodzie surowej na poziomie ok. 2,0 mgFe/L.

Wyniki badań stężenia żelaza po pierwszym stopniu filtracji (Półki PI i PVII) i po drugim stopniu filtracji (Półki PII i PVIII).

W przypadku pierwszego filtra (wykres 1) stwierdzono znaczny ubytek ilości złoża na pierwszym i nieco mniejszy na drugim stopniu filtracji (odpowiednio półki górne - I stopień filtracji i półki dolne - II stopień filtracji).

Efektem powyższego było głębokie przenikanie stężenia żelaza na drugi stopień filtracji - jak pokazuje wykres po półkach górnych filtra I (PI) żelazo kształtowało się na poziomie ok. 0,25 - 0,50 mgFe/L. Tak więc spory ładunek żelaza docierał na półkę dolną (PII), która na szczęście radziła sobie z odżelazianiem, czego efektem było zmniejszenie żelaza poniżej wartość dopuszczalną. Charakterystyczny przebieg krzywej stężenia żelaza w wodzie po filtracji w trakcie trwania cyklu jest związany ze zjawiskiem uszczelniania dość dużych porów złoża filtracyjnego (przy dużym uziarnieniu) wytrącanym wodorotlenkiem żelazowym. Oczywiście wspomniane uszczelnianie występuje do pewnego momentu (na wykresie 1 minimum ok. 80 godziny cyklu filtracyjnego). Po przekroczeniu pewnej granicy jakość filtratu zaczęła gwałtownie się pogarszać.

W przypadku filtra IV, który pracował praktycznie w identycznych warunkach technicznych i technologicznych, ubytek złoża był niższy (w filtrze była wyższa warstwa złoża - zwłaszcza w zakresie najniższych uziarnień ok. 1,0 mm). Stąd też przede wszystkim stężenie żelazo po filtracji było niższe niż w przypadku pierwszego filtra. Jednak, tutaj również widoczne jest zjawisko zmniejszania stężenia żelaza w trakcie trwania cyklu filtracyjnego - czyli charakterystyczne „uszczelnianie" porów złoża wytrąconym z wody surowej wodorotlenkiem żelazowym.

Niemniej należy wyraźnie podkreślić wzrost długości cyklu filtracyjnego, z ok. 24 godzin do ponad 100 (dla opisanych warunków technologicznych).

W przypadku stężenia manganu (zwłaszcza po półkach dolnych - drugim stopniu filtracji) wydłużanie cyklu filtracyjnego sprzyjało poprawie efektywności usuwania związków Mn. Wyraźna tendencja była jednak dopiero widoczna z perspektywy kilku cykli filtracyjnych.

W tym miejscu należy jednak podkreślić, że zwiększanie długości cyklu filtracyjnego musi być poparte konkretnymi badaniami technologicznymi, ponieważ przekroczenie pewnej granicznej (indywidualnej dla konkretnych warunków) wartości pojemności masowej (ilości zatrzymanego na złożu żelaza) może powodować zjawiska niekorzystne takie jak m.in. wzrost ciśnienia przed filtracją (nadmierną stratę ciśnienia na złożu filtracyjnym) czy też niekontrolowane zerwania zatrzymanych zawiesin występujące zwłaszcza przy zmiana obciążenia filtrów (zarówno zmniejszania jak i zwiększania przepływu).

• Ze względu na bardzo różny skład jakościowy uzdatnianej na SUW „Granica" wody, zwłaszcza pod względem stężenia żelaza, podejmowanie decyzji o płukaniu filtrów musiało być podejmowane w zależności od kilku czynników:

  	+ Ilości pracujących filtrów, 
  
   
  	+ Ilości pracujących pomp głębinowych (przepływu wody surowej)
  
   
  	+ Pracującej studni głębinowej (pod względem zawartości żelaza) 

  Ustalone indywidualnie dla poszczególnych studzien współczynniki przeliczeniowe, pozwalały na podstawie ilości godzin pracy studni w ciągu zmiany, ustalać ilość żelaza zatrzymaną na filtrach (pojemność masową) i na ten podstawie decydować o czasie płukania filtrów. System bardzo dobrze przyjął się na ujęciu i weryfikowany na bieżąco badaniami laboratoryjnymi, zapewnia idealną pod względem technologicznym i ekonomicznym długość cyklu filtracyjnego.

Pewnym ograniczeniem z punktu widzenia wydajności ujęcia były stosowane złoża filtracyjne. Nawet w przypadku uzupełnienia ubytków w filtrach, czy też całkowitej wymiany na świeże złoże kwarcowe uzyskanie efektów uzdatniania wody dla wysokich wydajności (docelowo do ok. 15,0 m/h) sprawiało trudności. Rozwiązaniem w tej sytuacji było zastosowanie innego materiału filtracyjnego. Ze względu na przesłanki technologiczne i ekonomiczne zdecydowano się na zastosowanie złoża chalcedonitowego.

Testowo na wybranych filtrach (filtr nr 1 i filtr nr 2) postanowiono sprawdzić efektywność pracy chalcedonitu.

Filtry zasypano złożem chalcedonitowym o uziarnieniu 0,8 - 2,0 mm i następującej wysokości: na półkach górnych (I stopień filtracji) ok. 0,8 mm, natomiast na półkach dolnych (II stopień filtracji) ok. 0,5 m.

Wpracowanie złóż prowadzono metodą „samoczynną" - czyli po zasypaniu i dezynfekcji włączono filtry do pracy z wydajnością wymaganą przez układ (wynikającą z zapotrzebowania na wodę).

Prędkości filtracji w pierwszej fazie procesu wpracowania (okres maj - czerwiec) mieściły się w granicach 6,0 - 8,0 m/h. W takich warunkach (przy stężeniu manganu w wodzie surowej w granicach 0,4 - 0,8 mgMn/L, stężenie manganu osiągnęło normę odpowiednio:

• Dla filtra 1 (po drugim stopniu filtracji) po ok. 40 dniach pracy,

• Dla filtra 2 (po drugim stopniu filtracji) po ok. 30 dniach pracy.

W następnym okresie wpracowania wyraźnemu zwiększeniu uległy prędkości filtracji, których wartość dochodziła nawet do 14,0 m/h. Spowodowało to pewne zwiększenie stężenia manganu w wodzie uzdatnionej. Nie mniej jednak, znajdujące się w trakcie wpracowania złoże chalcedonitowe, szybko dostosowało się do większych ładunków manganu i po ok. 2 tygodniowym okresie ilość manganowych powłok katalitycznych, jaka wytworzyła się na ziarnach materiału filtracyjnego była wystarczająca, by w całości utleniać mangan dopływający wraz z wodą surową, przy krótszych czasach kontaktu (wyższych obciążeniach hydraulicznych powierzchni filtra).

Podsumowanie i wnioski

Omówiony powyżej przykład eksploatacyjny SUW „Granica" wskazuje na kilka podstawowych elementów diagnostyki technologicznej układów uzdatniających wodę podziemną. Wykonane badania i analizy teoretyczno - techniczne pozwoliły wskazać wadliwe elementy procesu uzdatniania, które rzutowały na uzyskiwane wyniki (przekroczenia podstawowych wskaźników jakości wody).

Niewielkie zmiany eksploatacyjne, połączone z minimalną modernizacją polegającą na wymianie złoża filtracyjnego oraz montażu urządzeń kontrolno - pomiarowych (głównie przepływomierzy i manometrów) pozwoliły w stosunkowo krótkim i w zasadzie nieoczekiwanym terminie doprowadzić do wysokiej efektywności procesów odżelaziania i odmanganiania wody.

Co ważne, zastosowanie złoża chalcedonitowego pozwoliło na istniejących filtrach, zwiększyć wydajność stacji do wartości ok. 200 m3/h, dając znaczne rezerwy produkcyjne.

Porównanie na tle złóż chalcedonitowych, pracujących równolegle piasków kwarcowych wskazało, na zdecydowanie niższą wydajność procesu odmanganiania wody. Uzyskanie wartości stężenia manganu na poziomie zgodnym z obowiązującymi przepisami było praktycznie niemożliwe dla prędkości filtracji wyższych niż 8,0 m/h, co odpowiada godzinowej wydajności stacji: 120,0 m3.

Autorzy:

Piotr Deresiński - ZWiK Świnoujście

Łukasz Weber