Powietrze w płukaniu filtrów

W przypadku rezygnacji, bądź ograniczonej intensywności płukania filtrów powietrzem może dojść do następujących zakłóceń technologicznych:

zbryleń złóż filtracyjnych (co przedstawiają zdjęcia zamieszczone w galerii) - zwłaszcza w układach odżelaziania wody; w następstwie zbrylenia materiału filtracyjnego zostaje ograniczona rzeczywista powierzchnia filtracji i tym samym zwiększa się prędkość filtracji ograniczając efekty usuwania żelaza, bądź manganu
nadmiernego obrostu ziaren złóż filtracyjnych powłokami tlenkowymi (żelaza i manganu) co w dalszej kolejności powoduje zwiększenie ich średnicy, skutkując zwiększeniem wysokości strefy odżelaziania, czyli głębokości przenikania żelaza w głąb złoża filtracyjnego (zdarzają się jednak takie sytuacje technologiczne - wody o specyficznym składzie chemicznym - w których płukanie powietrzem nawet z bardzo wysoką intensywnością nie narusza powłok, wzmocnionych tlenkami wapnia czy magnezu)
zbyt długiego płukania filtrów wodą (długi czas do sklarowania popłuczyn, na skutek zbyt delikatnego płukania powietrzem).

Istnieją dwa podstawowe sposoby płukania filtrów powietrzem (klasyfikowane względem stosowanych urządzeń):

płukanie przy użyciu sprężonego powietrza (stosowane głównie na małych stacjach uzdatniania wody)
płukanie przy użyciu dmuchaw.

W każdym przypadku urządzenia powinny zapewniać wymaganą wydajność płukania filtrów. Literatura Kowal, Świderska-Bróź "Oczyszczanie wody" podaje, że intensywność płukania złóż powietrzem winna wynosić: 60 - 90 m3/m2h (co odpowiada 16,7 - 25,0 L/sm2) - jest to najczęściej przyjmowana intensywność płukania złóż filtracyjnych w procesie projektowania. W praktyce wodociągowej bardzo często spotyka się filtry, płukane powietrzem z intensywnością < 5,0 L/sm2!

W zasadzie intesywność płukania powietrzem nie zależy od stosowanego złoża filtacyjnego. Powietrze nie wynosi bowiem ziaren złoża poza filtr (pod warunkiem wcześniejszego obniżenia zwierciadła wody znad złoża filtracyjnego), a jedynie "ściera" powłoki porastające ziarna. Jednocześnie powietrze jest głównym czynnikiem powodującym kruszenie się złóż filtracyjnych złej jakości.

Intensywność płukania oraz powierzchnia filtra pozwalają określić wydajność urządzenia płuczącego - co przedstawiają przykłady poniżej.

Przykład 1

Średnica filtra na Stacji Uzdatniania Wody wynosi 2,0 m. Zakładając, że intensywność płukania winna wynosić ok 15,0 L/sm2 określić wydajność urządzenia płuczącego filtr powietrzem.

W pierwszej kolejności obliczamy powierzchnię filtra: Af = (3,14 D2)/4 = (3,14 2,02)/4 = 3,14 m2
Wyznaczamy wydajność płukania powietrzem mnożąc intensywność przez powierzchnię filtra: Q =3,14 m2* 15,0 L/sm2 = 47,1 L/s
Przeliczamy wydajność w L/s na m3/h, mnożąc wynik przez współczynnik "3,6": Q = 47,1 L/s * 3,6 = 169,56 m3/h.
Na wyznaczoną wydajność dobieramy urządzenie płuczące.

Przykład 2

Jaka jest intensywność płukania filtrów, jeśli na Stacji stosuje się do płukania dmuchawę o wydajności 200,0 m3/h, płucząc filtry otwarte o wymiarach komory filtracji 3,0 / 4,0 m?

Wyznaczamy powierzchnię filtra: Af = 3,0 * 4,0 = 12,0 m2
Obliczamy intensywność płukania dzieląc wydajność dmuchawy przez powierzchnię filtra: Q = 200,0 m3/h / 12,0 m2 = 16,7 m3/m2h
Przeliczamy na L/sm2 dzieląc przez współczynnik "3,6" i uzyskujemy wynik: i = 16,7 m3/m2h / 3,6 = 4,69 L/sm2

Wyznaczona wydajność płukania powietrzem jest zdecydowanie za niska i może być przyczyną wszystkich wymienionych powyżej problemów technologicznych. Wskazana jest wymiana dmuchawy i zastosowanie urządzenia o wyższej wydajności.

Przykład 3

Na stacji uzdatniania wody do płukania filtrów stosuje się powietrze, zgromadzone w zbiorniku. Zbiornik ma pojemność 1,0 m3. Podczas płukania jednego filtra ciśnienie w zbiorniku spada z 0,6 MPa do 0,4 MPa. Czas płukania powietrzem wynosi 2 min. Płukane filtry mają średnicę 1600 mm. Jaka jest intensywność płukania filtrów powietrzem?

W pierwszej kolejności obliczamy ile powietrze wydostaje się ze zbiornika akumulacyjnego podczas płukania: Vp = (Pmax*Vz)/Pmin - Vz (czyli ciśnienie maksymalne razy pojemnosć zbiornika przez ciśnienie minimalne, odjąć pojemność zbiornika) co daje: Vp =(0,6 * 1,0)/0,4 - 1,0 = 0,5 m3
Płukanie trwa przez 2 min, zatem średnia wydajność płukania powietrzem wynosi: Q = 0,5 m3 / 2 min = 0,25 m3/min = 15,0 m3/h
Powierzchnia filtra: Af = (3,14 * 1,62)/4 = 2,0 m2
Intensywność płukania filtra powietrzem wyniesie zatem: i = 15,0 / 2,0 = 7,5 m3/m2h = 2,08 L/sm2

Wyliczona intensywność płukania powietrzem wynosi zaledwie 2,08 L/sm2 i jest stanowczo zbyt niska. Jej zwiększenie w tym układzie technologicznym może zostać przeprowadzone poprzez: skrócenie czsu płukania (np do 30 s), względnie zwiększenia różnicy ciśnień pomiędzy załączeniem, a wyłączeniem sprężarki - w dopuszczalnych dozorem granciach.

W przypadku płukania powietrzem ważniejsza jest odpowiednia intensywność niż czas płukania. Krótkie płukanie powietrzem z wymaganą intensywnością daje zdecydowanie lepsze efekty technologiczne niż długie płukanie z niską intensywnoscią.

Obserwacje na kolumnach badawczych wskazują, że powietrze bardzo szybko znajduje sobie kanały w złożu filtracyjnym wydostając się na powierzchnię bez efektu płukania ("zdzierania" powłok). Dlatego najefektywniejsze podczas płukania powietrzem są pierwsze sekundy, gdy powietrze przedostaje się od dołu do góry złoża filtracyjnego.

Z tego wynika, że czas płukania powietrzem wcale nie musi być zbyt długi. Zazwyczaj stosuje się czas płukania nie przekraczające 2,0 min. Stosowane są również techniki płukania powietrzem polegające na pulsacyjnym załączaniu i wyłączaniu powietrza.

By zlikwidować "kanały" przez które wydostaje się powietrze bez efektu płukania często eksploatatorzy dołączają wodę. Jednoczesne płukanie woda + powietrze - jest bardzo efektywnym sposobem oczyszczenia złoża, jednak wymaga spełnienia kilku ważnych zasad. Jednoczesne płukanie woda + powietrze - będzie przedmiotem jednego z kolejnych artykułów.

Urządzenia do płukania powietrzem

Jak wspomniano wcześniej stosuje się płukanie sprężarkami lub dmuchawą.

Podczas doboru urządzeń należy przestrzegać kilku podstawowych zasad:

W przypadku sprężarek:

dobieramy sprężarki bezolejowe!
wydajność sprężarki musi być dobrana z naddatkiem (tzn. musi być wystarczająca by zapewnić odpowiednią, ustaloną na podstawie obliczeń intensywność)
należy stosować reduktory ciśnienia; podczas płukania ze zbyt dużym ciśnieniem dochodzi niejednokrotnie do uszkodzenia dysz filtracyjnych
do pomiaru ilości powietrza stosujemy rotametry - przy czym dobierając rotametr należy wziąć pod uwagę ciśnienie powietrza wykorzystywanego do płukania,
na rurociągu powietrza do płukania należy stosować zawory zwrotne,
warto zastanowić się nad obudową dźwiękochłonną dmuchawy

W przypadku dmuchaw:

dobieramy odpowiednią wydajność, zgodnie z obliczeniami
zwracamy uwagę na temperaturę powietrza tłoczonego do instalacji (co jest szczególnie ważne w sytuacji stosowania instalacji z tworzyw sztucznych, bowiem temperatura tłoczonego powietrza niejednokrotnie przekracza 100 st C) - względnie dodatkowo dobieramy specjalne chłodnice,
dobieramy odpowiedni spręż dmuchawy, biorąc pod uwagę różnicę wysokości posadowienia dmuchawy i zwierciadła wody w płukanym filtrze oraz uwzględniając straty ciśnienia na instalacji tłoczącej powietrze i straty na złożu filtracyjnym - przykładowo, jeśli różnica pomiędzy poziomem posadowienia dmuchawy a zwierciadłem wody w filtrze podczas płukania powietrzem wynosi 5 m - spręż dmuchawy potrzebny na pokonanie tej różnicy wynosi 0,5 bar (+wspomniane straty ciśnienia).
koniecznie stosujemy zawór zwrotny na instalacji płukania powietrzem, by woda nie przedostała się do dmuchawy
zabezpieczająco stosuje się również wyniesienie instalacji płukania powietrzem powyżej poziomu zwierciadła wody w filtrze (syfon),
UWAGA! dobierając spręż dmuchawy należy zwrócić uwagę czy producent podaje ciśnienie bezwzględne dmuchawy, czy nadciśnienie tłoczenia, bowiem 0,5 bara - podawane jako ciśnienie bezwzględne - to ok 0,5 bara podciśnienia!!! Wyliczony spręż jest zawsze nadciśnieniem!!! Dla upewnienia się poprawności doboru dmuchawy najlepiej przekonsultować to z producentem,
warto zastanowić się nad obudową dźwiękochłonną dmuchawy

Generalnie stosowanie dmuchaw w płukaniu filtrów pozwala uzyskaćstabilny przepływ powietrza o wymaganej wydajności przy niskim ciśnieniu. Ponadto ta sama wydajność płukania powietrzem przy użyciu dmuchawy uzyskiwana jest znacznie niższym nakładem energetycznym!! Dlatego w technologii uzdatniania wody coraz częściej (również na SUW o małej wydajności) wprowadza się płukanie przy użyciu dmuchaw.

Autor: Łukasz Weber