Analiza technologiczna przypadku problemów z uzdatnianiem wody podziemnej na filtrach otwartych

Schemat technologiczny układu uzdatniania przedstawiono na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat technologii uzdatniania wody

Omawiana stacja produkuje ok. 3000 m3 na dobę. Ujmuje wodę z czwartorzędowych studni głębinowych o zawartości żelaza na średnim poziomie ok. 1,50 mgFe/L, manganu 0,60 mgMn/L i amoniaku ok. 0,35 mgNH4+/L.

Filtracja wody odbywa się na czterech filtrach o powierzchni 7,54 m2 każdy i wysokości złoża ok. 1,8 – 2,0 m. Nad filtrami utrzymywany jest w miarę stały słup wody – ok. 0,5 – 0,6 m. Filtry regulowane są na odpływie – poprzez przymykanie, bądź otwieranie zasuw.

Regulacja przepływu wody przez filtry odbywa się każdorazowo, gdy załączana lub wyłączana jest jedna ze studni głębinowych, bądź w sytuacji, gdy mamy do czynienia z wyłączeniem filtra do płukania.

Podstawowy problem, jaki pojawił się na stacji polegał na przekroczeniu stężenia manganu i żelaza w wodzie uzdatnionej. Z tym, że istotnym jest fakt, że część filtrów pracowała poprawnie, a część zupełnie odstawała od normy, mimo, że pozornie eksploatacja każdego złoże przebiegała identycznie. Prowadzone analizy laboratoryjne raz wskazywały znaczne przekroczenie stężenia manganu i żelaza na odpływie, innym razem natomiast stężenie manganu po filtracji było bliskie normy.

Wartości stężenia manganu po filtracji dochodziły nawet do 0,26 mgMn/L, a stężenie żelaza w filtracie w ekstremalnych, wychwyconych sytuacjach osiągało ok. 1,45 mgFe/L. Ze względu na małą wartość poznawczą wykonanych analiz, związaną z dużym rozrzutem wyników wprowadzono szczegółową kontrolę laboratoryjną ciągu technologicznego Wspomniano wcześniej eksploatacja stacji nastawiona była na tzw. szczyty energetyczne – zgodne z omówionymi wcześniej procedurami. W tym konkretnym przypadku szczyt poranny zaczynał się ok. godz. 900 i trwał przez dwie godziny do 1100, natomiast popołudniowy od 1800 do 2200. W tym czasie obsługa starała się wyłączyć maksymalną ilość pomp głębinowych. Pewnym utrudnieniem w eksploatacji stacji była niska pojemność zbiorników retencyjnych – bo zaledwie 270,0 m3 (wprawdzie retencja całkowita wynosiła ok. 1000 m3, jednak nawyki zmianowych, jak i warunki techniczne – związane z antykawitacyjna nadwyżką wysokości ssania pomp tłoczących wodę na miasto powodowały, że rzeczywiście wykorzystywano niespełna 1/3 zmagazynowanych rezerw wody.

Wspomniane 270 m3 to ilość wody, która z ledwością wystarczała na pokrycie dwugodzinnego zapotrzebowania miasta w okresie zimowym.

Przedstawiony wykres 1 obrazuje przykładową dobę marcową. Wyraźnie można na nim zauważyć dwa szczyty energetyczne – objawiające się zmniejszeniem produkcji wody surowej.

Wykres 1. Eksploatacja SUW na tzw. szczyty energetyczne

W przedstawionej dobie ekpsloatowane były tylko dwa filtry. W wyniku czego prędkości filtracji wahały się w granicach od 3,0 m/h w godzinach nocnych do 12,0 m/h w godzinach maksymalnej produkcji. W czasie wyraźnie widocznego szczytu przedpołudniowego prędkość filtracji najpierw została zmniejszona o 5,0 m/h, by po szczycie energetycznym wzrosnąć do blisko 13,0 m/h. Różnice w przpeływach w czasie szczytu popołudniowego były jeszcze wyższe (vf wzrosła o 100 %).

Aby dokładnie rozeznać się w sytuacji pracy złóż filtracyjnych podjęto działania związane z poborem prób wody po każdym pracującym złożu w charakterystycznych momentach pracy filtra. Wkrótce okazało się, że szczególnie niekorzystne wyniki jakości wody są notowane przy dużych prędkościach filtracji oraz pod koniec pracy filtrów w danym cyklu – przy czym drugie z wymienionych kryteriów było bardziej miarodajne i powtarzalne.

Oznaczało by to m.in., że w miarę upływu czasu pracy filtra w trakcie trwania cyklu filtracyjnego następuje pogorszenie warunków katalitycznego usuwania manganu na powłokach. Przypuszczalna przyczyna mogła leżeć podobnie jak w poprzednich przypadkach w złym usunięciu substancji zredukowanych z wody przed jej odmanganianiem.

Elementami eksploatacyjnymi, które na omawianej SUW mogły utrudniać skuteczne odmanganianie wody były:

opisana skokowa eksploatacja złoża nastawiona na szczyty energetyczne,
okresowe przeciążanie złóż filtracyjnych.
Biorąc jeszcze pod uwagę wspomanianą wcześniej zależność, która wskazywała na pogorszenie efektów usuwania manganu wraz ze zwiększeniem prędkości filtracji można było wywnioskować, że:
złoże posiada zdolność do usuwania manganu – czyli na ziarnach są rozwinięte powłoki katalityczne,
ilość wytworzonych powłok jest albo zbyt mała (raczej mało prawdopodobne ponieważ złoża działały dość długo – kilka lat) – albo wytworzone powłoki są w jakiś sposób dezaktywowane.

Podjęto decyzję o eksperymentalnym wyznaczniu wpływu prędkości filtracji na efektywność odmanganiania wody. Uzyskane wyniki przedstawiono na wykresie 2.

Wykres 2. Ustalenie efektywnej technologicznie "odmanganiającej" efektywności filtracji.

Trend jest wyraźny. W miarę jak zwiększa się prędkość filtracji, następuje stopniowe zwiększenie stężenia manganu w filtracie. Krótko mówiąc ilość powłok MnO2 w złożu filtracyjnym nie jest w stanie przejąć i utlenić dopływającego z większym ładunkiem manganu Mn+2. Jednak jeszcze ciekawszym jest obraz zmian stężenia manganu w filtracie w trakcie zmniejszania prędkości. Okazuje się bowiem, że po zakończeniu testu po zmniejszeniu prędkości filtracji, złoże nie doszło do swojego wyjściowego stanu, uzyskując np. przy 4,0 m/h stężenie o ponad 50 % wyższe niż we wstępnej części badania.

Ponadto stwierdzono w trakcie zwiększania prędkości filtracji przebicia żelaza, którego stężenie wzrastało grubo ponad dopuszczalną normę.

Wielu informacji co do przyczyn problemów i ich skutków dostarczyła analiza popłuczyn. Na omawianej stacji filtry płukano z dość dużą intensywnością, ale tylko przy użyciu wody. Ze względu na konstrukcję dna drenażowego filtra (drenaż belkowy) nie możliwe było płukanie złóż powietrzem.

Płukanie testowe przykładowego filtra wykazało, że ilość zgromadzonego żelaza w dolnej części złoża jest bardzo duża. Plukanie testowe podzielono na dwa etapy:

etap I – “normalne” płukanie złoża do czystości,
etap II ponowne płukanie filtra, zaraz po zakończeniu I etapu.

Pierwsze płukanie zapewniło dość dobre usunięcie żelaza ze złoża i właściwie woda popłuczna była klarowna po ok. 15,0 min płukania wodą. Jednak jak się okazało, płukanie w etapie II spowodowało odpłukanie żelaza w ilości nie ustępującej płukaniu w etapie I. Świadczy to o dużym stopniu zanieczyszczenia wgłębnych części złoża żelazem, które uniemożłiwiało właściwe odmanganianie wody. Co więcej w trakcie drugiego płukania – po usunięciu żelaza, popłuczyny zaczęły zmieniać kolor. Stając się brunatno-czarne, świadczyły, że w trakcie procesu, czynnik płuczący dotarł do warstw pokrytych tlenkiem manganu, oczyszczając je i częściowo zdzierając.

Oczywiście na początku ilość usuniętych warstw manganowych była nieznaczna, należało uważać, by nie przesadzić z odpłukaniem powłok brausztynowych i w ściśle określonym czasie wyłączyć płukanie.

Reasumując przyczyny problemów z usuwaniem manganu w omówionym przypadku wiązały się z:

skokową eksploatacją ujęcia, nastawioną na szczyty energetyczne, która powodowała, że wahania prędkości filtracji zwiększano nawet do 100,0 %, przy czym błędem eksploatacyjnym było szybkie załączanie kilku pomp głębinowych jednocześnie, a nie pojedynczo z zachowaniem odstępów czasowych, które pozwalałyby stopniowo (łagodnie) zwiększać przepływ przez filtry,
brakiem technicznych możliwości płukania filtrów powietrzem, które pozwoliłoby utrzymać powłoki katalityczne we właściwym stanie – usuwać utleniane na nich żelazo blokujące odmanganianie,
eksploatacja stacji na wysokich prędkościach filtracji – na dwóch filtrach, mimo, że można było eksploatować wszystkie cztery – w wyniku czego potęgowały się ujemne skutki skokowych zmian prędkości,
migrująca głęboko w złoże strefa odżelaziania – proporcjonalna do wzrastającej prędkości filtracji i postępująca skokowo, w zależności od stopnia uderzenia hydraulicznego (zmienności obciążenia hydraulicznego złoża).

Podstawowe zalecenia i zmiany eksploatacyjne, które pozwoliły przywrócić stosunkowo szybko właściwe efekty usuwania z wody manganu polegały w tym przypadku m.in. na:

Rezygnacji ze szczytów energetycznych i tym samym ze skokowej eksploatacji ujęcia, co związane było m.in. z możliwością załączania nie więcej niż jednej pompy głębinowej na raz (rozciąganiem załączania pomp głębinowych w czasie).
Wykorzystaniem w maksymalnym stopniu pojemności retencyjnej zbiorników wody czystej – i tym samym zmniejszenie ilości załączeń pomp głębinowych na dobę; po pewnym czasie zmianowi doszli do takiej wprawy, że w niektórych dobach załączano tylko raz pompę głębinową, w wyniku czego prędkość filtracji na złożach zmieniała się minimalnie. Poniżej zamieszczono przykładowy wykres (nr 3) eksploatacji ujęcia po wprowadzeniu zaleceń.

Dokładnym wypłukaniu złóż filtracyjnych - kilkakrotnym płukaniu jednego złoża po każdym cyklu filtracyjnym zmiennym strumieniem wody (w miarę możliwości technicznych), do momentu pojawienia się czarnych popłuczyn. W tym miejscu należy zaznaczyć, że za pierwszym „wieloetapowym” płukaniem nie udało się dobrze oczyścić powłok katalitycznych – na jednym z filtrów trzeba było kilku takich intensywnych płukań, by „dotrzeć” do warstw odmanganiających; jednocześnie w momencie, gdy pojawiły się tlenki manganu w popłuczynach, laboratorium odnotowywało poprawienie jakości filtratu,

Wprowadzeniu eksploatacji na wszystkich filtrach – uzyskano w ten sposób niższe prędkości filtracji oraz przede wszystkim niższe pojemności masowe złóż – dzięki czemu ryzyko zrywania żelaza było dużo mniejsze niż podczas pracy z dużą prędkością na maksymalnych pojemnościach masowych.

Wykres 3. Praca ujęcia po rezygnacji z tzw. "szczytów energetycznych"

Eksploatacja filtrów otwartych wymaga przestrzegania pewnych specyficznych reżimów technologicznych. Kluczowym elementem, który często nawala w takich układach (zwłaszcza starszych, długo eksploatowanych) jest system regulacji przepływu. W chwili obecnej na rynku istnieją sprawne (niestety drogie) zawory regulacyjne.

Bardzo ważnym jest podgląd ciśnienia wody po filtrze, które pokazuje, jak w trakcie pracy przyrastają straty spowodowane zatrzymanym w złożu żelazem. Na stacji omówionej w przykładzie zalecono zamontowanie piezometrów na rurociągu odprowadzającym wody po filtrze. System bardzo prosty, a jednocześnie niezwykle pomocny w ocenie hydrauliki złóż. Na tej podstawie można m.in. stwierdzić, czy w złożu filtracyjnym tworzą się strefy podciśnienia, wprowadzające znaczne zakłócenia w procesie odżelaziania i odmanganiania wody, czy i jak duże jest zerwanie żelaza zatrzymanego podczas filtracji.

Autor: Łukasz Weber

Zachęcamy do skomentowania artykułu na forum