DOWIADCZENIA LABORATORYJNE W ZASTOSOWANIU KOAGULANTÓW WSTPNIE ZHYDROLIZOWANYCH Z RODZINY PAX W SUW CZANIEC

Transkrypt

1 dr in. Izabela ZIMOCH 1.2 in. Barbara KOTLARCZYK 2, mgr in. Katarzyna NADOLSKA 2 1. Politechnika lska, Instytut Inynierii Wody i cieków Gliwice, ul. Konarskiego Górnolskie Przedsibiorstwo Wodocigów S.A Katowice, ul. Wojewódzka 19 DOWIADCZENIA LABORATORYJNE W ZASTOSOWANIU KOAGULANTÓW WSTPNIE ZHYDROLIZOWANYCH Z RODZINY PAX W SUW CZANIEC Wstp Polskie przepisy okrelajce jako wody przeznaczonej do spoycia (Rozporzdzenie Ministra Zdrowia z dnia r. Dz.U. nr 61, poz. 417) zaostrzaj poziom dopuszczalnych wartoci parametrów jakoci wody, co powoduje konieczno zwikszenia skutecznoci oczyszczania wody ujmowanej przez stacje wodocigowe. W przypadku oczyszczania wód powierzchniowych wie si to czsto z modernizacj stacji i wprowadzeniem nowych reagentów do koagulacji wody. Proces koagulacji na filtrach kontaktowych jest skutecznym i efektywnym procesem uzdatniania wody pozwalajcym, na usunicie podstawowych zanieczyszcze z wody do poziomu wymaganego przez obowizujce przepisy. Ma on szerokie zastosowanie w przypadku ródeł wody charakteryzujcych si stabilnymi parametrami jakoci. Natomiast do wad filtrów kontaktowych naley zaliczy ograniczon zdolno przyjcia ładunku zawiesin, co wie si z koniecznoci skrócenia filtrocyklu i co za tym idzie wzrostem iloci wody przeznaczonej do płukania złó, co przekłada si na zwikszenie kosztów produkcji 1m 3 wody. Wzrost efektywnoci filtracji kontaktowej mona osign przez zmian klasycznych koagulantów na takie, których mechanizm działania jest bardziej dopasowany do prowadzenia tzw. koagulacji w złou. Dziki temu moliwe jest zmniejszenie obcienia złó ładunkiem zawiesiny oraz lepsze wykorzystanie pojemnoci czynnej złoa. Reagentami, których mechanizm koagulacji jest odpowiedni do przebiegu koagulacji w złou s koagulanty wstpnie zhydrolizowane, o wysokiej zasadowoci. Ich zastosowanie w miejsce typowych 13

2 tzw. koagulantów hydrolizujcych jak np. siarczan glinu, pozwala na obnienie dawek reagenta, uniezalenienie przebiegu koagulacji od czynników zewntrznych (ph, temperatura) oraz zwiksza stabilno wody [1, 4]. W referacie przedstawiono wyniki bada laboratoryjnych z zastosowaniem koagulantów z grupy PAX (PAX XL 19F, PAX XL 1905, PAX XL 69, PAX XL 60) przeprowadzonych w laboratorium SUW Czaniec w okresie od stycznia do wrzenia 2007r, w jednakowych warunkach temperatury oraz przy takiej samej mtnoci i barwie wody surowej, jak równie przy jednakowych parametrach technologicznych procesu koagulacji i sedymentacji. W ocenie efektywnoci procesu zwracano szczególn uwag na stopie redukcji takich parametrów jak: mtnoci, barwy, ph, glinu i przewodnoci. Istotnym parametrem w ocenie prób dowiadczalnych było oznaczenie UV przy długoci fali 254 nm i 272 nm, co pozwoliło na analiz zmian iloci zwizków organicznych, pozostałych po procesach z zastosowaniem rónych koagulantów. Metodyka bada Testy koagulacji przeprowadzono w zlewkach o pojemnoci 1 dm 3 (napełnionych wod surow), do których dodawano odpowiednie dawki koagulantów, poddawano najpierw szybkiemu (200 obrotów/30 sekund) a nastpnie wolnemu (60 obrotów/15 min) mieszaniu. Przyjto w testach laboratoryjnych czas sedymentacji zawiesiny 30 min. Po zakoczeniu sedymentacji przesczano próby przez sczek półtwardy Macherey-Nagel i nastpnie wykonano podstawowe analizy: mtnoci, barwy, ph, stenia glinu i przewodnoci oraz UV. Wszystkie analizy wykonywano według normowych procedur, przy uyciu aparatury: - mtno mtnociomierz Nephla firmy Dr Lange o zakresie 0, NTU zgodnie z norm PN-EN ISO 7027 (V 2003); - ph wielofunkcyjny przyrzd komputerowy CX 731 firmy Elmetron o zakresie ph 0 14 z rozdzielczoci 0,001 wg normy PN-90 C-04540/01; - przewodno - wielofunkcyjny przyrzd komputerowy CX 731 firmy Elmetron elektrod typu EPS-2 ZE o stałej czujnika C= 0,487 cm -1 wg normy PN EN 27888/1999; - barwa wizualnie na wzorach zgodnie z norm PN-EN ISO 7887; - UV spektrofotometr DR 5000 firmy Hach Lange przy długociach fali 254 i 272 nm; - glin - spektrofotometr DR 5000 firmy Hach Lange procedura badawcza wg normy PN-92 C-04605/02. 14

3 Charakterystyka zastosowanych koagulantów w testach laboratoryjnych Badania przeprowadzono z wykorzystaniem piciu rodzajów koagulantów: czterech z grupy reagentów PAX oraz siarczan glinu, przy uwzgldnieniu serii badawczych o rónych dawkach reagentów. Badania obejmowały łcznie jedenacie serii testów laboratoryjnych. Podstawowe informacje techniczne dotyczce reagentów (wg kart charakterystyk producenta) wytypowanych do bada przedstawiono w tabeli nr 1. Tabela 1. Własnoci chemiczne koagulantów (wg kart charakterystyk) Koagulat ph Tlenek Chlorki elazo Zasado Glin [%] glinu [%] ogólne [%] wo Al 2 O 3 [%] PAX XL 19F 4,0±0,5 8,5±0,3-5,5±0,5-85±5 PAX XL ,6±0,4 6,00±0,5-5,0±1,0-85±5 PAX XL 69 2,5±0,5 6,0±0,5-11,0±2,0-60±10 PAX XL 60 1,5±0,5 7,5±0,3-17,0±2,0-40±10 Siarczan glinu - 9,2±0,2 17,2±0,2 - max 0,01 - Jako wody surowej Woda surowa w SUW Czaniec w Kobiernicach ujmowana ze zbiornika Czaniec zaliczana jest do tzw. grupy wód górskich. Analiza parametrów wody surowej wykazuje, i jako wody ujmowanej do produkcji przez wiksz cz roku jest stosunkowo dobra, zakwalifikowana do kategorii A2 [2]. Jedynie po gwałtownych opadach atmosferycznych lub topnieniu niegu, charakterystycznych dla obszarów górskich, wzrasta wskanik mtnoci i barwy, co wymusza krótkotrwałe postoje stacji (rys.1, 2 tab.2). 15

4 Mtno [NTU] min max rednia stycze luty marzec kwiecie maj czerwiec lipiec sierpie wrzesie 330 Rys. 1. Zmienno mtnoci wody ujmowanej - wartoci rednie, minimalne oraz maksymalne od stycznia do wrzenia 2007r w okresie przeprowadzanych prób laboratoryjnych min dł. fali 254 max dł. fali 254 min dł. fali 272 max dł. fali 272 rednia dł. fali 254 rednia dł. fali 272 1,103 1,034 UV stycze luty marzec kwiecie maj czerwiec lipiec sierpie wrzesie Rys. 2. Zmienno wartoci UV przy długoci fali λ 254 nm oraz λ 272 nm wody ujmowanej - wartoci rednie, minimalne oraz maksymalne od stycznia do wrzenia 2007r w okresie przeprowadzanych prób laboratoryjnych Tabela 2. Wybrane parametry wody surowej podczas bada (2007r) Onaczenia Jednostki Warto Minimum rednia Maksimum Temperatura C 2,7 11,1 21 Mtno NTU 1,5 7,1 285 Barwa mg/dm 3 Pt Odczyn ph 7,1 7,4 7,7 ChZT (KMn0 4 ) mg/dm ,8 2,7 4,1 elazo mg/dm 3 Fe 0,03 0,10 0,23 Mangan mg/dm 3 Mn 0,02 0,09 0,29 16

5 Chlorki mg/dm 3 Cl Zasadowo ogólna mval/dm 3 1,0 1,3 2,2 Siarczany mg/dm 3 S Glin mg/dm 3 Al 0,00 0,08 0,31 BZT5 mg/dm 3 O 2 0,6 1,5 2,4 Analizujc wyniki wody surowej mona zauway, e nawet due zmiany mtnoci i barwy nie powoduj znaczcego wzrostu stenia zwizków organicznych wyraanych, jako CHZT (KMn0 4 ), które w okresie bada nie przekraczały wartoci 5 mgo 2 /dm 3. Czyli w odniesieniu do zawartoci zwizków organiczny wod w ujciu mona zaliczy do wysokiej jakoci. Jednym z problemów eksploatacyjnych, z jakim boryka si zakład Czaniec, wynika z faktu udziału w zanieczyszczeniach organicznych niewielkiej iloci zwizków zaliczanych do prekursorów THM, trudno usuwalnych w obecnym układzie technologicznym uzdatniania wody. Skutkami powyszego s okresowe podwyszone wartoci THM na wyjciu ze stacji do poziomu nawet 15 µg/dm 3. W okresie prowadzenia bada, przy wielkoci utlenialnoci w wodzie surowej z zakresu 1,8 4,1 mgo 2 /dm 3, woda uzdatniona na wyjciu ze stacji zawierała THM na rednim poziomie 6,6 µg/dm 3, a zakres zmiennoci wahał si w granicach 2,4 µg/dm 3 16,8 µg/dm 3 [3]. Zmienno zawartoci glinu w badanej wodzie przyjmowała wartoci z zakresu od wielkoci 0,00 mgal/dm 3 do 0,31 mgal/dm 3, w efekcie czego woda surowa charakteryzowała si redni wartoci stenia glinu 0,08 mgal/dm 3. Tak wic zmienno jakoci surowca, w odniesieniu do stenia glinu wymusza staranne dobranie odpowiedniej dawki koagulantu i jej biec korekt, w celu zwizania zwizków glinu zawartych w wodzie jak i wprowadzonych z koagulantem na filtrach kontaktowych do wielkoci nieprzekraczajcej wartoci NDS 0,2 mgal/dm 3 w wodzie uzdatnionej (RMZ Dz.U. 61 poz.417). W dniu 12 wrzenia odnotowano ponadto istotny dla tego ujcia gwałtowny wzrost mtnoci wody do poziomu 285 NTU, co jednoczenie skutkowało podniesionym poziomem barwy mgpt/dm 3. Takie gwałtowne pogorszenia jakoci surowca, wymuszaj podejmowanie szybkich decyzji zmian technologicznych parametrów eksploatacji SUW Czaniec, a w skrajnych przypadkach nawet jej okresowe zamknicie. Woda w ródle, w całym okresie bada od stycznia do lipca charakteryzowała si w wikszoci przypadków niskim poziomem mtnoci rednio 7,1 NTU oraz redni wielkoci barwy 15 mg/dm 3. 17

6 Omówienie wyników bada Pierwsze serie testów pozwoliły na wyłonienie do dalszych bada czterech koagulantów: 3 reagenty z grupy PAX (PAX XL19F, PAX 1905 i PAX XL60) oraz siarczan glinu, jako reagent porównawczy. Przyczyn wyeliminowania z kolejnych testów laboratoryjnych PAX - u 69 był stosunkowo niewielki stopie redukcji mtnoci rednio o 17% niszy w odniesieniu do stosowanego na stacji siarczanu gliny. Badane koagulanty wykazuj zmienn efektywno koagulacji w zalenoci od mtnoci wody surowej. Analizujc efektywno koagulacji w przeprowadzonych kolejnych seriach badawczych, zaobserwowano, w przypadku niskich mtnoci wody surowej (1,44-27,8 NTU), niewielkie rónice w stopniu usunicia mtnoci midzy wszystkimi zastosowanymi koagulantami z grupy PAX w granicach 78,7 96,1%, jak równie du efektywno procesu dla siarczanu glinu - redukcja mtnoci 71,3% - 93,6%. Zauwaono ponadto, e przy niszych dawkach, dla koagulantów z grupy PAX (5 mg/dm 3 ) uzyskiwano wiksz redukcj mtnoci w porównaniu do siarczanu glinu, a przy dawkach z zakresu mg/dm 3 uzyskiwano bardo zblione efekty technologiczne redukcji mtnoci (rys. 3). Powysza seria badawcza w ocenie efektywnoci procesu w funkcji barwy (barwa wody surowej 8-40 mgpt/dm 3 ) charakteryzowała si stopniem jej redukcji na poziomie 70,0-76,9%. stopie redukcji mtnoci [%] % % 80.00% 60.00% 40.00% 20.00% 0.00% PAX XL19 F PAX XL 1905 PAX XL60 siarczan glinu dawka koagulantu [mg/dm 3 ] Rys.3. Wpływ dawki koagulantu na stopie redukcji mtnoci podczas pierwszej serii testów laboratoryjnych stycze- czerwiec 2007 mtno wody surowej1,44-27,8 NTU W przypadku duych wartoci mtnoci wody surowej (285 NTU) oraz wysokiej barwie 120 mgpt/dm 3 rónice efektywnoci procesu s bardziej zauwaalne (rys. 4). 18

7 stopie redukcji [%] 120,00% 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% PAX XL19F PAX XL1905 siarczan glinu PAX ph siarczan glinu ph dawki koagulantów [mg/dm3] warto ph Rys.4. Wpływ dawki koagulantu na stopie redukcji mtnoci oraz poziom ph w czasie serii testów laboratoryjnych sierpie - wrzesie 2007 mtno wody surowej 285NTU Dla wody o duej mtnoci koagulanty zhydrolizowane wykazuj podobny stopie redukcji mtnoci - 99,9% oraz barwy - 97,6%, dla dawek reagentów w zakresie mg/dm 3, przy zachowaniu odczynu wody na poziomie wody surowej, której warto ph wynosiła 7,1. W tym zakresie dawek siarczan glinu okazał si zupełnie nieskutecznym reagentem, bowiem uzyskany stopie redukcji mtnoci nie przekraczał 75%. Powyszy fakt był przyczyn zastosowania w kolejnych testach, dla wody o mtnoci 285NTU, wyszych dawek siarczanu glinu z zakresu mg/dm 3. Przeprowadzone testy pokazały, e dla dawek 30, 40 i 50 mg/dm 3 siarczanu glinu, efekt technologiczny uzdatniania nie zapewnił wymaganego stopnia redukcji mtnoci (rys.4.), a co za tym idzie uzdatniona woda nie posiadała parametrów jakoci zgodnych z Rozporzdzeniem Ministra Zdrowia z dnia (Dz.U. nr 61, poz. 417 Załczniki 1-4). Maksymalna warto stopnia redukcji mtnoci, dla powyszych dawek siarczanu glinu wynosiła 96,8% (rednia 89,7%, zmienno 81,6% - 96,8%) co zapewniło usunicie mtnoci do poziomu 8,8 NTU. Dopiero dla dawkach powyej 60 mg/dm 3 uzyskiwano zadawalajc redukcj mtnoci na rednim poziomie 99,1%. Jednak tak wysokie dawki, uyte w procesie koagulacji skutkowały gwałtownym obnieniem ph poniej 6,0 (rys.4). W powyszych seriach badawczych, w odniesieniu do barwy wody uzyskano stopie jej redukcji na rednim poziomie 88,2% (zmienno 83,3-91,7% ). W przeprowadzonych testach laboratoryjnych badano ponadto poziom UV w wodzie uzdatnionej, jako wskanika zawartoci zwizków organicznych. Ocena stopnia usunicia zwizków organicznych wyraonych absorbancj w UV charakteryzował si istotnymi rozbienociami efektów technologicznych. Dla niskiego poziomu absorbancji w UV wody 19

8 1 surowej (UV cm 1 254nm - 0,044; UV cm 272nm - 0,038) uzyskana skuteczno oczyszczania była stosunkowo mała. Zmniejszenie absorbancji w UV 254 wynosiło dla reagentów z grupy PAX 34-43%, oraz dla siarczanu glinu zaledwie 11,4%. Podobne wartoci odnotowano w przypadku absorbancji UV 272 (PAX 34-42%, siarczan glinu 22,7%) [3]. Natomiast dla wody o wysokiej mtnoci 285 NTU, charakteryzujcej si podwyszon 1 absorbancj w UV (UV cm 1 254nm - 1,103; UV cm 272nm - 1,034) uzyskano zdecydowanie lepsz skuteczno oczyszczania. Zastosowanie reagentów z grupy PAX (rys. 5.) przyniosło efekty ju przy niskich dawkach mg/dm 3 dajc zmniejszenie absorbancji UV 254 w zakresie 92,8-98,0%, podczas gdy dla siarczanu glinu uzyskano porównywalny efekt technologiczny dopiero dla wikszych dawek mg/dm 3. Porównywalne rezultaty uzyskano przy absorbancji UV 272 (PAX 92,8-98,5% dla dawek mg/dm 3, siarczan glinu 55,4-96,7%). stopie redukcji absorbancji UV [%] % % 90.00% 80.00% 70.00% 60.00% 50.00% PAX 19 Fdł. fali 254 PAX 19 F dł. fali 272 PAX 1905 Fdł. fali 254 PAX 1905 dł. fali 272 siarczan glinu dł. fali 254 siarczan glinu dł. fali dawka koagulantu [mg/dm 3 ] Rys.5. Wpływ dawki koagulantu na stopie redukcji absorbancji UV w czasie serii testów laboratoryjnych sierpie - wrzesie 2007 mtno wody surowej 285NTU Efektywno procesu koagulacji w testach laboratoryjnych w odniesieniu do stenia glinu w wodzie surowej dla koagulantów wstpnie zhydrolizowanych była porównywalna. Stopie usunicia glinu z wody, przy redniej zawartoci jego w wodzie surowej na poziomie 0,14 mgal/dm 3 (zakres zmiennoci 0,08-0,26 mgal/dm 3 ) wynosił przecitnie dla grupy reagentów PAX 35,7%, i jego rednie stenie kształtowało si na poziomie 0,09 mgal/dm 3. Natomiast rednia redukcja glinu w przypadku zastosowania siarczanu glinu wynosiła 21,4%, co pozwoliło na utrzymanie jego stenia na rednim poziomie 0,11 mgal/dm 3. Wnioski Przeprowadzone testy laboratoryjne z zastosowaniem koagulantów z grupy PAX, pozwoliły stwierdzi, e dla wody czystej o mtnoci nie przekraczajcej 30 NTU, efektywno technologiczna wyraana redukcj mtnoci i barwy jest porównywalna w odniesieniu do 20

9 stosowanego w SUW Czaniec siarczanu glinu. Natomiast dla koagulantów wstpnie zhydrolizowanych uzyskano wyszy stopie redukcji zwizków organicznych wyraanych absorbancj w UV. W przypadku wód o duej mtnoci koagulanty z grupy PAX okazały si skuteczniejsze, ju przy niskich stosowanych dawkach reagentów. Dla tych wód wymagan skuteczno technologiczn koagulacji za pomoc siarczanu glinu uzyskano dla dawek rednio dwukrotnie wyszych. Niezbdnym wydaje si by kontynuacja bada laboratoryjnych pozwalajca na, okrelenie skutecznoci omawianych reagentów w procesie technologicznym w odniesieniu do poziomu generowanych THM na wyjciu ze stacji jak i w rozległej sieci dystrybucji. Dopiero tak pełny obraz bada pozwoli na wybór rozwiza technologicznych przynoszcych oczekiwane efekty produkcji wody o wysokiej jakoci. Literatura: [1] Duan J., Gregory J., Coagulation by hydrolyzing metal salts, Advances in Colloid and Iinterface Science, (2003) [2] Rozporzdzenie Ministra Ochrony rodowiska w sprawie wymaga, jakim powinny odpowiada wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia ludnoci w wod przeznaczon do spoycia. ( Dz. U. Nr 204, poz. 1728) [3] I. Zimoch, B. Kotlarczyk Dowiadczenia z zastosowania koagulantów wstpnie zhydrolizowanych w SUW Czaniec jako narzdzie wytyczajce kierunki modernizacji układu technologicznego, Ochrona rodowiska 3/2007. [4] M. Kłos, W. Sawiniak Zastosowanie koagulantów wstpnie zhydrolizowanych w modernizacji układów koagulacji kontaktowej. Mat. Konf. Aktualne zagadnienia w uzdatnianiu i dystrybucji wody, Szczyrk