Praca filtrów otwartych z niskim słupem wody nad złożem

Na omawianym obiekcie ujmowaną wodę cechowała ponadnormatywna zawartość jonów żelaza (ok 2,0 - 3,0 mgFe/L) oraz jonów manganu (0,15 - 0,25 mgMn/L). Woda uzdatniana była w nastęującym układzie technologicznym: napowietrzanie otwarte z wykorzystaniem dysz białostockich - krótki czas przetrzymania (ok 10 min) - filtracja otwarta na filtrach wypełnionych piaskiem kwarcowym - zbiornik podfiltrowy - sieć wodociągowa.

Na SUW eksploatowano cztery filtry grawitacyjne o powierzchni filtracji ok 28 m2 każdy. Filtry zasypano piaskiem kwarcowym o uziarnieniu 0,8 - 1,4 m w zakresie właściwej warstwy filtracyjnej o wysokości ok 1,4 m. Niestety przy takiej wysokości złoża wysokość słupa wody wynosiła zaledwie 20 - 40 cm. Na rurociągu wody uzdatnionej zamontowana była przepustnica, którą pracownicy sterowali przepływem przez filtr.

Długość cyklu filtracyjnego w omawianym układzie wynosiła ok 48 godzin, mimo, że czas prędkość filtracji nie przekraczała 5,0 m/h. Tym co obserwowali pracownicy praktycznie przy każdym wyłączeniu filtra do płukania, bądź zmniejszeniu prędkości filtracji poprzez przymknięcie przepustnicy , było bardzo intensywne odgazowywanie się filtra. Przed wyłączeniem do płukania oczywiście odgazowanie to nie wpływało negatywnie na jakość uzdatnianej wody, natomiast jeśli odbywało się ono w trakcie pracy powodowało naruszenie zawieisny żelazowej odfiltrowanej na złożu filtracyjnym, która wraz z wodą przedostawała się przez złoże do zbiornika podfiltrowego powodując przekroczenie żelaza i magnanu w wodzie uzdatnionej.

W efekcie bezpośrednio najpoważniejszym problemem technologicznym na SUW nie był krótki cykl filtracyjny, ale trudności z utrzymaniem odpowiedniej jakości filtratu. Właściwie by zapowietrzanie filtrów nie zachodziło (i tym samym nie zachodziło ich odgazowywanie) konieczne byłoby przerywanie cyklu filtracyjnego po ok 24 godzinach, co z ekonomicznego punktu widzenia było nie do zaakceptowania.

Zaczęto więc poszukiwać bezpośredniej przyczyny problemu i tym samym sposobu jej wyeliminowania.

W pierwszej kolejności wykonano krótkie, ale bardzo istotne badania pilotowe. Zasypano kolumnę badawczą złożem eksploatowanym w filtrze odwzorowując dokładnie układ technologiczny. Następnie puszczono filtr do pracy i obserwowano jak przyrastają straty ciśnienia na poszczególnych wysokościach materiału filtracyjnego. Wyniki były zaskakujące. Na wykresie 1 przedstawiono przebieg krzywych ciśnienia w różnych godzinach pracy złoża przy wysokości słupa wody nad złożem ok 20 cm.

Wykres 1. Rozkład ciśnienia na różnych wysokościach złoża oraz w różnych godzinach cyklu filtracyjnego.

Jak czytać wykres?? Otóż na osi Y zamieszczono wysokości przekroju pionowego filtra. To znaczy pierwszych 20 cm na wykresie to warstwa słupa wody nad złożem filtracyjnym. Następnych 130 cm (do 150 na wykresie) to samo złoże filtracyjne. Na osi X odłożono ciśnienie słupa wody mierzone przy użyciu piezometrów podłączonych na różnych wysokościach materiału filtracyjnego (wysokościach oznaczonych punktami). Prosta linia biegnąca od punktu (0,0) do punktu (150,150) to linia ciśnienia w sytuacji gdy filtr nie pracuje. Wówczas na ciśnienie na danej wysokości jest równe naporowi wody (nie ma strat ciśnienia. Złoże czyste wprowadza już pewien opór. Na wysokości 150 cm (130 cm złoża) panuje już ciśnienie ok 100 cm, co oznacza stratę na złożu w wysokości 50 cm (złoże pracowało z prędkością 6,0 m/h).

W miarę jednak jak filtr zatrzymywał zawieisinę żelazową następowała jego kolmatacja i ciśnienie w dolnej części złoża (na głębokości 150 cm) spadało. Już po 48 godzinach nastąpiło przecięcie osi Y - co jest równoznaczne z wytworzeniem podciśnienia. Ekstremum linii ciśnienia występuje przy (-20,0 cm). Co ciekawe od 50 cm głębokości złoża linie biegną do siebie równolegle. Wniosek z tego taki, że filtr kolmatuje się tylko w pierwszych centymetrach (na głębokośći ok 30 cm). Po 96 godzinach kolmatacja jest już na tyle duża, że praktycznie całe złoże pracuje w podciśnieniu. Jeśli podciśnienie to oczywiście wydzielanie gazów na całej wysokości, zatem zapowietrzanie złoża, które powoduje wszystkie negatywne zjawiska opisane w artykule wcześniejszym.

Są w tym momencie dwie metody przeciwdziałaniu zjawisku: tj. albo zwiększenie wysokości słupa wody nad złożem (co bardzo łatwo można wyznaczyć z wykresu - bowiem dla 96 godziny zwiększając wysokość słupa wody o 80 cm można by uniknąć wystąpienia pociśnienia), albo zastosowanie materiału o korzystniejszych parametrach hydraulicznych.

Postanowiono porównać złoże chalcedonitowe, antracytowo - kwarcowe i chalcedonitowe dla takich samych warunków pracy.

Wyniki zaprezentowano na wykresie 2.

Wykres 2. Porównanie kolmatacji różnych złóż filtracyjnych

Jak widać wyraźnie po 96 godzinach pracy złoże kwarcowe w całości jest na podciśnieniu, natomiast złoże chalcedonitowe i antracytowo - kwarcowe pracuje w warunkach nadciśnienia (z nieznaczną przewagą złoża chalcedonitowego). Również w tym przypadku układające się równolegle linie ciśnienia poniżej 45 cm wysokości filtra wskazują na powierzchniową (pierwszych 20 cm) kolmatację złoża filtracyjnego.

Niemniej jednak wymiana złoża mogłaby przynieść w tym przypadku wymierne korzyści, związane z bezpiecznym wydłużeniem cyklu filtracyjnego ok 2 krotnie, bez ryzyka wystąpienia podciśnienia.

Na wykresie 3 przedstawiono procentowy udział całkowitej straty ciśnienia na różnych wysokościach złoża kwarcowego.

Wykres 3. Procentowy udział strat ciśnienia na danej wysokości złoża filtracyjnego w różnych godzinach cyklu

Można zauważyć, że w początkowej części cyklu fitlracyjnego straty rozkładają się równomiernie na całej wysokości materiału filtracyjnego. W 48 godzinie 75 % całkowitej straty ciśnienia występuje na pierwszych 40 cm złoża, natomiast w 96 godzinie 75 % straty ciśnienia występuje już w 20 cm złoża filtracyjnego!!

Co to oznacza? Mianowicie, że pierwszych 20 cm złoża stawia mocny opór (np ok 1 m) co przy zaledwie 20 cm naporu wody powoduje wystąpienie podciśnienia.

Wnioski z przeprowadzonej analizy wskazują, że:

obserwacja rozkładu strat ciśnienia na złożu filtracyjnym jest bardzo ważnym elementem eksploatacji filtrów otwartych!
ustalenie charakterystyki hydraulicznej eksploatowanego złoża pozwala ocenić moment w którym materiał będzie się zapowietrzał,
jednym ze sposobów przeciwdziałania zapowietrzaniu złoża może być zwiększanie wysokości słupa wody nad złożem filtracyjnym (jeśli jest to technicznie wykonalne)
znacznie łatwiejszą metodą jest wymiana, bądź dosypanie warstwy złoża o wyższej pojemności masowej (korzystniejszej charakterystyce eksploatacyjnej) - np chalcedonitowego, lub antracytowego

Autor: Łukasz Weber