Wysokie prędkości filtracji przez złoża chalcedonitowe

Zwiększenie prędkości filtracji umożliwia wzrost produkcji wody bez konieczności rozbudowy zakładu uzdatniania wody. Warunkiem tak prowadzonej modernizacji stacji uzdatniania wody podziemnej jest zastosowanie złóż filtracyjnych zdolnych do uzyskiwania wysokich efektów odżelaziania i odmanganiania uzdatnianej wody. Ustalenie maksymalnej prędkości filtracji z jaką można uzdatniać wodę o określonych właściwościach składu fizycznochemicznego, prowadzi do określenia maksymalnej wydajności stacji uzdatniania.

W układach technologicznych uzdatniania wód podziemnych prędkość filtracji wpływa na głębokość przenikania wodorotlenku żelaza wgłąb złoża filtracyjnego oraz na szybkość kolmatacji złoża i przyrost strat hydraulicznych. W układach katalitycznego usuwania manganu z wody prędkość filtracji wpływa na czas kontaktu uzdatnianej wody z powłokami katalitycznymi pokrywającymi materiał filtracyjny, decydując o efektywności heterogenicznego utleniania Fe(II) i Mn(II).

W układach jednostopniowej filtracji wód podziemnych zjawiska te występują w jednym złożu filtracyjnym. Żelazo zatrzymane w złożu filtracyjnym ogranicza efektywność usuwania manganu, głównie poprzez ekranizację aktywnych powłok MnO2 tlenkami żelaza (przy zbyt wysokiej strefie odżelaziania).

Wcześniejsze badania pilotowe nad wykorzystaniem złoża chalcedonitowego wykazały:

wysoką efektywność usuwania żelaza i manganu z wód podziemnych 6,7,8,
znacznie szybsze wpracowanie złoża chalcedonitowego do usuwania manganu z wód podziemnych w porównaniu ze złożem antracytowo - kwarcowym i kwarcowym 7,8,9,
uzyskiwanie wysokich pojemności masowych złóż chalcedonitowych co prowadziło do wydłużenia cykli filtracyjnych 10,11,12.

W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań nad zastosowaniem wysokich - do 20 m/h - prędkości filtracji przez złoże chalcedonitowe, stanowiące wypełnienie filtrów usuwających żelazo i mangan z wody podziemnej. Badania wykonano w skali pilotowej oraz technicznej na wybranym wodociągu.

Badania pilotowe - SUW Września, opis

Badania nad filtracją przez złoże chalcedonitowe, z wysokimi prędkościami filtracji, prowadzono na instalacji pilotowej zasilanej wodą podziemna z ujęcia wrzesińskiego. Filtr pilotowy zasypano wstępnie wpracowanym do usuwania manganu złożem chalcedonitowym, o uziarnieniu 0,8 - 2,0 mm oraz średnicach charakterystycznych ziaren:

d10 = 1,0 mm,
d60 = 1,4 mm,
d90 = 1,75 mm,

Wysokość warstwy filtracyjnej wyniosła 1,8 m. Złoże spoczywało na 0,2 m warstwie podtrzymującej z chalcedonitu o uziarnieniu 2,0 - 8,0 mm. Nad złożem utrzymywano stały 1,0 metrowy słup wody.

Instalacja badawcza wyposażona była w:

10 króćców do poboru prób wody z różnych głębokości złoża,
10 piezometrów do pomiaru ciśnienia na głębokościach złoża,
stabilizator przepływu na odpływie wody przefiltrowanej,
rotametr do pomiaru natężenia przepływu wody przefiltrowanej,
instalację do płukania złoża wodą oraz powietrzem (z pomiarem natężenia przepływu obu mediów płuczących).

Instalację zasilano wodą surową, napowietrzoną, po 1 godzinnym przetrzymaniu w komorach reakcji. Parametry składu fizykochemicznego podano w tabeli 1.

Plan badań zakładał:

naturalne wpracowanie złoża do usuwania manganu - z prędkością 6,0 m/h,
badanie efektywności filtracji przy skokowo zwiększającej się prędkości filtracji do 10,0, 15,0 oraz 20,0 m/h,
określenie parametrów pracy złoża z wysokimi prędkościami filtracji (przyrost strat hydraulicznych, długość cykli filtracyjnych),

Tabela 1. Skład fizykochemiczny wody zasilającej instalację badawczą.

**Parametr**

Jednostka

Wartość minimalna

Wartość maksymalna

 Barwa

mgPt/L

20,4

56,0

 Mętność

NTU

0,4

3,2

pH

6,9

7,3

 Utlenialność

mgO2/L

3,5

5,1

 Amoniak

mgNH4+/L

0,65

0,90

 Żelazo ogólne

mgFe/L

0,55

1,63

 Mangan

mgMn/L

0,21

0,30

W czasie badań monitorowano:

stężenie manganu i żelaza, co 12 godzin, w próbkach wody pobieranych z różnych głębokości złoża filtracyjnego,
ciśnienie na głębokościach złoża co 8-12 godzin,
inne wskaźniki jakości wody: pH, amoniak, barwa, mętność - okresowo.

Cykle filtracyjne prowadzone z vf=6 m/h trwały 7 dni. Przy wyższych prędkościach filtracji konieczne było wcześniejsze zakończenie cykli. Moment końca cyklu filtracyjnego był wyznaczony wzrostem strat ciśnienia do wartości 2,5-3,0 mH2O lub pogorszeniem jakości filtratu.

Wyniki badań pilotowych i ich interpretacja

Wyniki badań interpretowano pod kątem:

efektywności usuwania żelaza dla różnych prędkości filtracji,
efektywności usuwania manganu dla różnych prędkości filtracji,
długości cykli filtracyjnych i uzyskiwanych pojemności masowych złóż dla różnych prędkości filtracji.

Cykle filtracyjne prowadzono z prędkościami filtracji:

cykle I - VII z prędkością 6,0 m/h,
cykle VIII-XI z prędkością 10,0 m/h,

cykle XII - XIII z prędkością 15,0 m/h,
cykle XIV-XV z prędkością 20,0 m/h.

Odżelazianie

Efektywność usuwania żelaza - EFe z wody na złożu chalcedonitowym obliczano ze wzoru:

E = (Fed - Feo)/Fed,

w którym: FeD - stężenie żelaza w dopływie do filtra mgFe/L, FeO - stężenie żelaza w odpływie z filtra mgFe/L.

Na wykresie 1 przedstawiono średnie efektywności usuwania żelaza w cyklach filtracyjnych. Efektywność usuwania żelaza w złożu chalcedonitowym, poza jednym cyklem była większa od 95,0 %. Stężenie żelaza w filtracie utrzymywało się na poziomie 0,02 - 0,03 mgFe/L.

Poniżej przedstawiono efektywność usuwania żelaza z wody w poszczególnych cyklach filtracyjnych.

Wzrastająca skokowo prędkość filtracji nie miała wpływu na efekty odżelaziania. Wraz ze wzrostem prędkości filtracji nieznacznie zmieniała się wysokość złoża potrzebna do usunięcia żelaza poniżej 0,2 mgFe/L. Średnie wysokości stref odżelaziania dla cykli filtracyjnych przedstawiono na wykresie 2. Dla wszystkich cykli filtracyjnych i przebadanych prędkości filtracji wysokość aktywnej strefy odżelaziania nie przekraczała 60,0 cm (1/3 wysokości zasypanego złoża filtracyjnego). Pod koniec badań strefa odżelaziania ustabilizowała się na poziomie 30,0 – 40,0 cm. Poniżej tej głębokości żelazo nie dopływało, co stworzyło dobre warunki do odmanganiania wody na niższych głębokościach złoża.

Zmniejszenie wysokości aktywnej strefy odżelaziania ma związek z pokrywaniem się ziaren złoża trwałą powłoką tlenków żelaza. W początkowym okresie badań – złoże było nieaktywne, dlatego o usuwaniu żelaza decydowało głównie cedzenie wyflokulowanych kłaczków wodorotlenku żelazowego w górnych warstwach złoża.

W miarę jak złoże ulegało uaktywnieniu, w usuwanie żelaza zaczął się włączać mechanizm katalizy heterogenicznej utleniania żelaza Fe(II) do Fe(III), co spowodowało zmniejszanie wysokości aktywnej strefy odżelaziania.

Odmanganianie

Wyniki badań odmanganiania wody podziemnej w procesie filtracji przez złoże chalcedonitowe pozwoliły na wyznaczenie efektywności procesu przy zastosowanych prędkościach filtracji. Badania obejmowały okres wpracowania złoża chalcedonitowego do usuwania manganu przy prędkości filtracji równej 6 m/h oraz okres, w którym zwiększano prędkość filtracji do 10, 15 i 20 m/h.

Na wykresie drugim przedstawiono stężenie manganu w filtracie przy zastosowanych prędkościach filtracji w zależności od czasu pracy złoża. Jak wynika z przedstawionego wykresu wzrost prędkości filtracji z 6,0 do 10,0 m/h nie wywołał pogorszenia jakości filtratu. Z kolei wzrost z 10,0 do 15,0 m/h i 20,0 m/h wiązał się z chwilowym, nieznacznym wzrostem stężenia manganu w wodzie uzdatnionej. Złoże szybko wracało do początkowej, wysokiej efektywności, usuwając mangan poniżej 0,05 mgMn/L.

Ciekawych informacji dostarcza wykres trzeci przedstawiający zależność wysokości aktywnej strefy odmanganiania od czasu pracy złoża dla różnych prędkości filtracji. Przez aktywną strefę odmanganiania rozumie się warstwę złoża potrzebną do usunięcia z wody manganu poniżej 0,05 mgMn/L. Od 27 dnia pracy złoża stężenie manganu w filtracie osiągało wartości mniejsze od 0,05 mgMn/L i złoże można było uznać za wpracowane do usuwania manganu.

Od tego momentu następowało ciągłe zmniejszanie wysokości aktywnej strefy odmanganiania. W ciągu kolejnych 20,0 dni wysokość ta zmniejszyła się do około 140,0 cm. W 42 dniu zwiększono prędkość filtracji do 10 m/h. Wysokość strefy odmanganiania w dalszym ciągu zmniejszała się, aż do wartości 80 cm. Zwiększanie prędkości filtracji do 15 m/h spowodowało wzrost wysokości aktywnej strefy odmanganiania. Zwiększyła się ona z 80,0 cm do 160,0 cm, by w ciągu kolejnych 10 dni zmniejszyć się do wysokości około 120,0 cm. Podobny wzrost i ponowne zmniejszenie wysokości aktywnej strefy odmanganiania nastąpiło po zwiększeniu prędkości filtracji do 20 m/h.

Z przedstawionych wyników badań wynika, że przy zastosowaniu złoża chalcedonitowego w filtrach uzdatniających badaną wodę możliwe jest zwiększenie prędkości filtracji do 20 m/h przy zachowaniu wymaganej jakości wody uzdatnionej.

Pojemność masowa i przyrost strat hydraulicznych w złożu

Zatrzymane w złożu tlenki żelaza i manganu zmniejszają porowatość złoża, w wyniku czego rosną straty hydrauliczne na złożu. Zebrane wyniki badań pozwoliły na obliczenie pojemności masowych złoża chalcedonitowego w cyklach prowadzonych z różnymi prędkościami filtracji. Pojemność masową PM g/m2 względem żelaza i/lub manganu obliczano ze wzoru:

PM = t vf (cd - co) * 1,9

w którym:

t - czas filtracji h,

vf - prędkość filtracji m/h,

cd, co.- stężenie żelaza i/lub manganu w wodzie dopływającej na filtry i w filtracie.

Obliczonym pojemnościom masowym odpowiadały przyrosty strat hydraulicznych w złożu. Na wykresie 5 przedstawiono wpływ pojemności masowej na wartość przyrostu strat hydraulicznych w złożu chalcedonitowym. Wraz ze wzrostem prędkości filtracji rosną straty hydrauliczne złoża. W cyklach filtracyjnych prowadzonych z wyższymi prędkościami filtracji tej samej pojemności masowej odpowiadają wyższe przyrosty strat hydraulicznych. Przeprowadzone badania i obliczenia pozwalają stwierdzić, że w cyklu filtracyjnym z prędkością filtracji równą 20 m/h złoże chalcedonitowe uzyskało pojemność masową większą od 2500 g/m2 (kryterialna wartość pojemności masowej charakteryzującej efektywną pracę filtrów odżelaziających i odmanganiających 1), przy przyroście strat hydraulicznych mniejszym od 2 mH2O.

Aspekty techniczne wdrożenia złoża chalcedonitowego pracującego z wysokimi prędkościami na jednej ze stacji uzdatniania wody, zostaną opisane w kolejnym artykule.

Autorzy:

dr inż. Joanna Jeż - Walkowiak

mgr inż. Łukasz Weber

Literatura

"Wodociągi i kanalizacja w Polsce - tradycja i współczesność" redakcja naukowa: Marek M. Sozański, Polska Fundacja Ochrony Zasobów Wodnych, Poznań-Bydgoszcz, 2002r.
Dymaczewski Z., Jeż-Walkowiak J., Sozański M.M.: Badania pilotowe w projektowaniu technologii zakładów uzdatniania wody. /Przegląd Komunalny. Zeszyty Komunalne. - 2005, 5, s. 67-71
Dymaczewski Z., Jeż-Walkowiak J., Sozański M.M.: Zarządzanie procesem projektowania w fazie planowania nowych i modernizacji eksploatowanych zakładów uzdatniania wody. Forum Eksploatatora. - 2005, 1, s. 12-20
Water Treatment Plant Design, American Water Works Association, McGraw-Hill Publishing Company, New York 1990r.
Sommerfeld E.O., "Iron and manganese removal handbook", American Water Works Association, USA, 1999.
Siwiec T., Michel M.M., Granops M., „Badanie efektywności uzdatniania wody na złożu chalcedonitowym oraz badanie wybranych parametrów chalcedonitu", VI Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna "Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód", Poznań, 2004r.
Jeż-Walkowiak J., Sozański M.M., Weber Ł.: Badanie nad zastosowaniem złóż chalcedonitowych w odżelazianiu i odmanganianiu wód podziemnych. // XII Konferencja naukowo-techniczna : z cyklu problemy gospodarki wodno-ściekowej w regionach rolniczo-przemysłowych: materiały, Białowieża 2005, Komitet Inżynierii Środowiska PAN. - Lublin: Komitet Inżynierii Środowiska PAN, 2005. - s. 157-169
Jeż-Walkowiak J., Sozański, Weber Ł., „Piasek chalcedonitowy jako nowe złoże w odżelazianiu i odmanganianiu wód podziemnych", Materiały IV Konferencji Naukowo-Technicznej „Woda - Człowiek - Środowisko, zarządzanie operacjami i procesami technologicznymi we współczesnych systemach wodociągowo-kanalizacyjnych", Września-Licheń, 2004.
Jeż-Walkowiak J., Weber Ł.: Możliwości wykorzystania złóż chalcedonitowych w uzdatnianiu wód podziemnych. Przegląd Komunalny. Zeszyty Komunalne. - 2005, 5, 78-81
Jeż-Walkowiak J., Weber Ł.: Parametry procesów odżelaziania i odmanganiania wód podziemnych w filtracyjnych złożach chalcedonitowych, VII Międzynarodowa Konferencja "Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód", Poznań-Zakopane, 2006r.
Jeż-Walkowiak J., Weber Ł.: Nowe złoża filtracyjne z Zakładach Uzdatniania Wody, Materiały V Konferencji Naukowo-Technicznej „Woda - Człowiek - Środowisko, Aktualna problematyka usług wodociągowo-kanalizacyjnych", Września-Licheń, 2006.
Jeż-Walkowiak J., Weber Ł.: Porównanie efektywności procesu filtracji przez różne złoża filtracyjne, Wodociągi i Kanalizacja, Listopad 2006