Określanie wysokości strefy usuwania żelaza w złożu filtracyjnym - cz.I

W przypadku, gdy zadaniem układu uzdatniania jest usunięcie żelaza oraz manganu w złożu filtracyjnym można zasadniczo wyróżnić trzy podstawowe strefy:

strefę I - usuwania żelaza występującego w formie wytrąconych wcześniej kłaczków wodorotlenku żelazowego,
strefę II - usuwania żelaza występującego w formie rozpuszczonej (nieutlenionego żelaza dwuwartościowego),
strefę III - usuwania manganu w procesie wspomaganym katalitycznie przez aktywny (wpracowany) materiał filtracyjny.

W szczególnym przypadku, gdy we wstępnej fazie procesu uzdatniania wody wykorzystywany jest silny utleniacz, pozwalający wytrącić żelazo oraz mangan w złożu filtracyjnym w zasadzie mamy do czynienia tylko z jedną strefą - I - tj. strefą usuwania wytrąconych związków żelaza i manganu. Jednakże sytuacja taka jest możliwa tylko w przypadku dozowania bardzo silnego utleniacza (np. ozonu lub dwutlenku chloru), względnie przy stosowaniu słabszego czasu utleniania, ale dla dłuższych czasów kontaktu wody z utleniaczem. Oczywiście poszczególne strefy przenikają się wzajemnie oraz zmieniają swoje położenie (wysokości) wraz ze zmianą warunków eksploatacyjnych układu uzdatniania wody. Generalnie największe oddziaływanie, które ma swoje skutki w postaci pogorszenia efektów uzdatniania wody zachodzi pomiędzy strefą II i III. W dużym uproszczeniu, jeśli żelazo rozpuszczone (dwuwartościowe) będzie przenikało zbyt głęboko w złoże filtracyjne, może dochodzić do strefy odmanganiania wody. Wówczas, ze względu na dużo większą "łatwość" osadzania się na powierzchni złoża katalitycznego właśnie żelaza rozpuszczonego, dochodzi do ograniczenia skuteczności odmanganiania lub całkowitego zahamowania procesu usuwania manganu z wody. Żelazo rozpuszczone (dwuwartościowe) ekranizuje bowiem ziarna złoża filtracyjnego (katalitycznego) w sposób zasadniczo trwały je dezaktywując. Ponowna aktywacja w zasadzie polega na usunięciu wytrąconego na powierzchni złoża katalitycznego żelaza (albo poprzez jego rozpuszczanie z wykorzystaniem odpowiednich substancji, albo poprzez intensywne płukanie powietrzem). Ze względu na fakt, że przywracanie skuteczności technologicznej złoża odmanganiającego jest zadaniem trudnym i niejednokrotnie kłopotliwym należy zapobiegać jego dezaktywacji. A jednym ze sposobów zapobiegania dezaktywacji złoża odmanganiającego jest właśnie przestrzeganie wysokości strefy odżelaziania. Zgodnie z badaniami technologicznymi na wysokość strefy odżelaziania (traktowanej jako sumę strefy I i II) wpływają następujące czynniki:

Stopień utlenienia żelaza przed filtracją (zawartość żelaza dwu i trójwartościowego w wodzie dopływającej na złoże filtracyjne),
Prędkość filtracji,
Stężenie żelaza ogólnego w wodzie surowej,
Uziarnienie złoża filtracyjnego,
Pośrednio również temperatura wody.

W jaki sposób na wysokość strefy wpływają poszczególne, wymienione wyżej elementy?

Im więcej żelaza trafia na złoże filtracyjne w formie utlenionej, tym niższa wysokość całkowitej strefy odżelaziania. Na utlenienie żelaza przed filtracją wpływa przede wszystkim rodzaj zastosowanego utleniacza oraz czas przetrzymania wody. Tematyka utleniania żelaza oraz testów technologicznych, które pozwolą ustalić ile żelaza dociera na filtry w formie utlenionej i jak czas utleniania wpływa na ten parametr, zostanie przedstawiona w oddzielnym artykule. Generalnie w przypadku eksploatacji filtrów otwartych, już sama ocena wizualna wody nad złożami filtracyjnymi pozwala ocenić czy żelazo występuje w formie utlenionej czy też w formie rozpuszczonej. Różnicę przedstawiają zdjęcia poniżej. Dążąc zaś do zwiększenia stopnia utlenienia żelaza przed filtracją dąży się jednocześnie do zmniejszenia wysokości strefy odżelaziania.
Prędkość filtracji wpływa równie istotnie na wysokość strefy odżelaziania co stopień utlenienia żelaza. Im większa prędkość filtracji tym głębiej żelazo wbija się w złoże filtracyjne. Natomiast, gdy prędkość filtracji jest niewielka, żelazo zatrzymuje się bardziej na powierzchni. Oczywiście na etapie eksploatacji układu uzdatniania niejednokrotnie nie ma już możliwości manewru tym parametrem. Jednakże należy to uwzględniać na etapie projektowania, ponieważ zwiększając prędkość filtracji zmniejsza się powierzchnię filtrów, ale wymagana jest większa wysokość złoża (zwiększenie płaszcza filtra, co wiąże się z większymi kosztami inwestycyjnymi) - analizy tego typu zostaną również przeprowadzone w odrębnym artykule. Poza tym należy wiedzieć, że zwiększając zdolności produkcyjne SUW (zwiększając produkcję) prowadzi się do zwiększenia strefy odżelaziania i niejednokrotnie skutkuje to obniżeniem skuteczności procesu odmanganiania wody.
Stężenie żelaza ogólnego w wodzie surowej. Ten czynnik w zasadzie nie wymaga większego komentarza. Im wyższe stężenie żelaza ogólnego w wodzie surowej, tym większa wysokość strefy odżelaziania. W tym przypadku operatorzy mogą jedynie manewrować studniami (np. poprzez mieszanie wody z różnych studzien).
Uziarnienie złoża filtracyjnego jest czynnikiem również ważnym przy określaniu wysokości strefy odżelaziania. Zasada jest następująca: im niższe uziarnienie złoża tym niższa strefa odżelaziania wody. Gdy uziarnienie jest wyższe, żelazo wnika głębiej. W tym przypadku należy jednocześnie wziąć pod uwagę straty ciśnienia. Wraz ze zmniejszaniem uziarnienia pojawia się ryzyko szybszej kolmatacji złoża filtracyjnego. Z kolei przy dużym uziarnieniu cykl filtracyjny się wydłuża, ale zdecydowanie głębiej wnika żelazo w złoże. Wpływ uziarnienia najwyraźniej zaznacza się w pierwszej fazie projektowania układu filtracji. Ale w przypadku znacznego obrostu ziaren złoża filtracyjnego, strefa odżelaziania (zwłaszcza wyszczególniona powyżej strefa I strefy odżelaziania) będzie się znacząco powiększać, co może prowadzić nawet do przebijania żelaza do odpływu. Na zdjęciu poniżej przedstawiono wygląd ziarna, które cechuje znaczny obrost, mogący powodować zwiększanie wysokości strefy odżelaziania wody.
Temperatura - wpływa na parametry stricte hydrauliczne oraz kinetykę reakcji. Jest to parametr na który eksploatatorzy nie mają wpływu.

Różnica pomiędzy utlenionym żelazem i żelazem nie utlenionym.

Z praktycznego punktu widzenia przydatny może być empiryczny wzór podany m.in. w "Oczyszczanie wody" Kowal, Świderska-Bróż, który ma następującą postać: L = adm(vf^0,6)(T^-0,4)(Fe^p) [m];

gdzie: L - wysokość strefy odżelaziania [m] - oznaczana również jako H(Fe)

a,p - współczynniki empiryczne zależne od udziału żelaza Fe(II) do Fe(III), równe odpowiednio:

dla 100 % udziału Fe(II): a = 0,53, p = 0,50
dla 75 % udziału Fe(II): a = 0,48, p = 0,47
dla 50 % udziału Fe(II): a = 0,43, p = 0,44
dla 25 % udziału Fe(II): a = 0,38, p = 0,41

dm - przeciętna średnica materiału filtracyjnego [mm]

vf - prędkość filtracji [m/h]

T - temperatura wody

Fe - stężenie żelaza ogólnego [mg/L]

W zasadzie większość składników równania każdy eksploatator jest w stanie bez problemu wprowadzić do wzoru. Największe problemy może stwarzać jedynie znajomość stopnia utlenienia żelaza - czyli procentowego udziału żelaza (II) w ogólnej jego wartości. W jednym z kolejnych artykułów prezentowanych na stronie www.technologia-wody.pl temat ten będzie dokładnie poruszany (wraz z prezentacją procedur badawczych procesu utleniania żelaza). Niemniej jednak zgodnie z praktyką eksploatacyjną, na chwilę obecną można dość ogólnie - stwierdzić, że w układach bez komory reakcji, zawartość żelaza (II) oscyluje wokół 75 - 50 %, natomiast w przypadku układów z komorą reakcji jest to poziom 50 - 25 %. Oczywiście zawsze warto sprawdzić ten parametr, tym bardziej, że jego wpływ na wysokość strefy odżelaziania jest dość znaczny. Sposób wyznaczania wysokości strefy w oparciu o przedstawiony powyżej wzór przedstawiono na przykładach poniżej.

Przykład 1. Stacja uzdatniania wody opiera się o jednostopniowy system filtracji, poprzedzony napowietrzaniem ciśnieniowym. Nie badano udziału żelaza dwu i trójwartościowego w wodzie surowej. Stężenie żelaza ogólnego w wodzie surowej wynosi 5,0 mg/L. Na SUW eksploatowane są 4 filtry ciśnieniowe. Każdy filtr ma średnicę 1800 mm. Wydajność studni głębinowej wynosi 100,0 m3/h. Zasypano złoże dwuwarstwowe: piasek kwarcowy o średnim uziarnieniu 1,0 mm i wysokości 1,0 m oraz złoże katalityczne, o wysokości 0,5 m. Zadanie polega na sprawdzeniu, czy żelazo będzie przenikało w złoże katalityczne - tj. strefę odmanganiania wody. Ze względu na brak informacji co do udziału żelaza (II) w ogólnej wartości, przyjęto, że dla napowietrzania ciśnieniowego udział ten wynosi 75 - 50 %. Przyjęto mniej korzystną wartość - czyli 75,0 % stopień utlenienia. Stąd współczynniki, wyniosą odpowiednio:

a = 0,48
p = 0,47

Należy jeszcze wyznaczyć prędkość filtracji. Cztery filtry o średnicy 1800 mm mają powierzchnię ok 10,16 m2. Stąd prędkość filtracji wyniesie: 9,84 m/h. Podstawiając zatem do wzoru poszczególne wartości otrzymamy:

L = 0,48 1,0 (9,84 ^ 0,6) (10^(-0,4)) (5,0^0,47)

Wyznaczona strefa odżelaziania wyniesie zatem: L = 1,61 m

Zatem wysokość strefy odżelaziania przewyższa wysokość złoża kwarcowego, którego zadaniem jest usunięcie żelaza przed dalszym odmanganianiem wody. Istnieje zatem ryzyko ograniczania efektywności usuwania manganu z wody i dezaktywacji powłok katalitycznych. Wiedząc co wpływa na wysokość strefy odżelaziania można próbować odpowiednimi parametrami zmniejszać jej wysokość.

Zwiększając stopień utlenienia żelaza - poprzez dozowanie substancji chemicznej, lub wydłużanie czasu kontaktu wody z żelazem. Doprowadzając do 50 % utlenienia żelaza wysokość strefy odżelaziania dla danych przedstawionych powyżej spadnie do L = 1,16 m, a więc w pobliżu wymaganej wartości złoża katalitycznego.
Zmniejszając prędkość filtracji poprzez dostawienie kolejnego filtra, lub zmniejszenie wydajności wody surowej (np. zbiorniki retencyjne pozwalające uśrednić produkcję) - w tym przypadku zawsze konieczna jest indywidualna analiza przypadku.
Wiedza na temat wysokości strefy odżelaziania pozwala również optymalnie projektować układ filtracji. Trzeba bowiem zdawać sobie sprawę z tego, że zwiększając wysokość złoża możemy zmniejszać ilość filtrów i odwrotnie zwiększając ilość filtrów (zmniejszając prędkość filtracji) zmniejszamy również ich wysokość. W każdym przypadku zalecane jest przeprowadzenie rachunku ekonomicznego, bowiem jak pokazuje praktyka zwiększenie wysokości płaszcza filtra jest niewspółmiernie tańsze z dostawieniem kolejnej jednostki filtracyjnej. Temat ten będzie opisywany w drugiej części niniejszego artykułu zamieszczonej wkrótce na stronie www.technologia-wody.pl

Opracowanie Łukasz Weber