UZDATNIANIE WÓD PODZIEMNYCH O PODWYSZONEJ BARWIE Z ZASTOSOWANIEM KOAGULACJI POWIERZCHNIOWEJ

Transkrypt

1 dr Rafał Bray Politechnika Gdaska Widział Inynierii Ldowej i rodowiska ul. Narutowicza 11/ Gdask rbra@pg.gda.pl UZDATNIANIE WÓD PODZIEMNYCH O PODWYSZONEJ BARWIE Z ZASTOSOWANIEM KOAGULACJI POWIERZCHNIOWEJ Wstp Technologia uzdatniania wikszoci wód podziemnych jest stosunkowo prosta. Wystpujce najczciej w tych wodach elazo w formie mineralnej z reguły nie stwarza duych problemów i daje si łatwo usun w tradycyjnym układzie napowietrzania i filtracji. W przypadku, kiedy elazo wystpuje w wodzie w połczeniu ze zwizkami organicznymi, głównie kwasami humusowymi, wywołujcymi dodatkowo podwyszon barw wody, napowietrzanie bd chemiczne utlenianie i filtracja s z reguły nieskuteczne i najczciej potrzebny jest tu proces koagulacji prowadzcy do usunicia zarówno elaza jak i obnienia barwy wody. Jako koagulanty najczciej stosowane s w tym przypadku sole glinu i elaza zapewniajce uzyskanie duej sprawnoci usuwania kwasów humusowych. Jednak zastosowanie tradycyjnej koagulacji objtociowej, stosowanej powszechnie w przypadku oczyszczania wód powierzchniowych, ze wzgldu na stosunkowo skomplikowany układ technologiczny, jest nieopłacalne i w praktyce nie stosowane w obiektach uzdatniajcych wody podziemne. Duo korzystniejsze jest w tym przypadku zastosowanie koagulacji powierzchniowej, której podstawow zalet jest stosunkowo prosty układ technologiczny, co ma ogromne znaczenie szczególnie w przypadku małych wodocigów wiejskich uzdatniajcych niewielkie iloci wód podziemnych. Dodatkow zalet jest moliwo stosunkowo łatwej adaptacji istniejcej technologii do wprowadzenia koagulacji kontaktowej. Prostota uzdatniania wody przy zastosowaniu koagulacji kontaktowej wynika z faktu, i wikszo procesów (flokulacja, sedymentacja i filtracja) zachodzi w samym złou filtracyjnym. Ponadto, zachodzca w złou koagulacja powierzchniowa, jest przypieszana działaniem kontaktowym produktów koagulacji zatrzymanych na powierzchni ziaren złoa, dziki czemu czsto mona zastosowa mniejsz dawk koagulanta ni w tradycyjnej koagulacji objtociowej. 118

2 W pracy opisano wyniki bada pilotowych przeprowadzonych w skali ułamkowo technicznej oraz w pełnej skali technicznej uzdatniania, metod koagulacji powierzchniowej, wody podziemnej ze wsi Piekło (gmina Sztum, Województwo pomorskie) o podwyszonej barwie oraz ponadnormatywnych steniach elaza i manganu. Stan aktualny - ujcie i stacja uzdatniania Dla potrzeb wodocigu wiejskiego dla wsi Piekło ujmowana jest woda podziemna pochodzca z utworów czwartorzdowych. Wody z tego poziomu wodononego zostały ujte do eksploatacji dwiema studniami głbokoci 1, m (odwierconymi w latach 1974 oraz 198r.), pracujcymi naprzemiennie w cyklu dwutygodniowym. Woda podziemna ze studni głbinowych we wsi Piekło charakteryzuje si podwyszon (w stosunku do wartoci dopuszczalnych) barw mg Pt/l, elazem 8 mg Fe/l oraz manganem,6,8 mg Mn/l. Skład wody nie wykazuje anomalii w stosunku do wód podziemnych pitra czwartorzdowego w pobliskim rejonie, mona zatem przyj, e wszystkie składniki wody s pochodzenia naturalnego. Urzdzenia do uzdatniania wody zainstalowano w budynku hydroforni, zlokalizowanym w strefie ochrony bezporedniej ujcia. W skład istniejcego obecnie układu technologicznego, przeznaczonego do oczyszczania ujmowanej wody wchodz: aerator (z przepływem od dołu do góry, z odpowietrzeniem na filtrze, zasilany w powietrze ze sprarki), filtr o rednicy 1,4 m, ze złoem antracytowo-kwarcowym o wysokoci 1, m oraz hydrofor o objtoci 4, m 3. Prdkoci filtracji nie przekraczały, m/h. Charakterystyczn cech układu jest cykliczna praca. Woda przepływa przez urzdzenia (aerator i filtr) jedynie w czasie pracy pompy głbinowej, która jest cyklicznie włczana i wyłczana w zalenoci od napełnienia zbiornika hydroforowego. W godzinach najwikszego rozbioru wody pompa włczała si nawet dziesi razy w cigu godziny (co koło 6 minut), przy czym czas pracy pompy jednorazowo nie przekraczał 1, minuty. Mona zatem przypuszcza, e w cigu doby pompa mogła by włczana nawet około razy (brak odpowiedniego opomiarowania nie pozwalał na dokonanie dokładnych wylicze). Istniejcy na terenie ujcia układ technologiczny nie pozwalał na oczyszczenie ujmowanej wody. Zarówno stenia elaza, manganu, jak i barwa wody praktycznie nie ulegały obnieniu. W celu opracowania metody oczyszczania wody podziemnej ze studni głbinowej we wsi Piekło przeprowadzono badania technologiczne. Załoono przy tym, e ujmowan wod bdzie mona oczyszcza metod koagulacji powierzchniowej, z wykorzystaniem istniejcych 119

3 urzdze. W planowanym układzie koagulant miał by dozowany do wody surowej przed aeratorem, który pełniłby dodatkowo funkcj mieszacza. Badania pilotowe Koagulanty W badaniach zastosowano koagulanty z grupy PIX oraz PAX produkowane przez firm Kemipol z Polic (Tabela 1). Koagulanty z grupy PIX s koagulantami nieorganicznymi opartym na trójwartociowym elazie Fe 3+. W badaniach wykorzystano PIX 112 oraz PIX 122 bdce wodnymi roztworami siarczanu elazowego Fe 2 (SO 4 ) 3. Nato-miast koagulanty z grupy PAX s koagulantami nieorganicznymi opartym na trójwartociowym glinie Al 3+. S to wodne roztwory chlorku poliglinu, przy czym koagulanty z grupy PAX, oznaczone dodatkowo symbolem XL, s koagulantami modyfikowanymi zawierajce midzy innymi Si, Na, Ca, Mg. Tabela 1. Charakterystyka zastosowanych koagulantów Nazwa Skład chemiczny (wodne roztwory) gsto [g/ml] Inne PIX siarczan elazowy 11,6-12,4% Fe og 1,4 1,6 PIX siarczan elazowy 12,4-12,9% Fe og 1, 1,6 PAX - 16 chlorek poliglinu 8,2 % Al 3+ 1,33 PAX - 18 chlorek poliglinu 9, % Al 3+ 1,36 PAX XL 1 chlorek poliglinu,3 % Al 3+ 1,24 modyfikowany PAX XL 9 chlorek poliglinu,2 % Al 3+ 1,21 modyfikowany PAX XL chlorek poliglinu, % Al 3+ 1,22 modyfikowany PAX XL 61 chlorek poliglinu,4 % Al 3+ 1,31 modyfikowany PAX XL19 chlorek poliglinu 6, % Al 3+ 1, modyfikowany Badania w skali ułamkowo technicznej W pierwszym etapie przeprowadzono badania w skali ułamkowo technicznej z wykorzystaniem układu modelowego, które miały na celu wytypowanie skutecznych koagulantów oraz wstpne ustalenie ich dawki. Przebadano kilka koagulantów z grupy PIX (elazowych) oraz PAX (glinowych) produkowanych przez firm Kemipol z Polic. Stanowisko badawcze do bada w skali ułamkowo techniczne zainstalowano w budynku hydroforni. Składało si ono z trzech równolegle pracujcych układów. W skład kadego układu wchodziły: pompka perystaltyczna do wody surowej, pompka perystaltyczna do dozowania koagulantów, aerator oraz filtr otwarty organicznego (o rednicy wewntrznej 4 mm) o kie- 12

4 runku przepływu wody z góry do dołu. Wszystkie filtry wypełniono złoem antracytowokwarcowym pobranym z filtra pracujcego w hydrofor-ni. Wysoko złoa wynosiła ok. 9 mm, a prdko filtracji kształtowała si na poziomie m/h. Wymieszanie koagulantów z wod (dozowanych w formie rozcieczonej) nastpowało w aeratorach (czas zatrzymania ok. 3 s), z których woda przepływała grawitacyjnie do filtrów. W wyniku przeprowadzonych bada ustalono, e koagulanty elazowe z grupy PIX (wodne roztwory siarczanu elazowego) s całkowicie nieskuteczne w przypadku wody podziemnej z ujcia we wsi Piekło. Zarówno barwa wody, jak i stenie elaza rosły w miar zwikszania dawki koagulanta. Znacznie skuteczniejsze okazały si koagulanty glinowe PAX (wodne roztwory polichlorku glinu). Obnienie stenia elaza poniej wartoci dopuszczalnej mg/l uzyskiwano przy zastosowaniu kadego z przebadanych koagulantów i to przy niewielkich dawkach poniej 2, mg Al 3+ /l (Rys. 1). Równie wszystkie z przebadanych koagulantów glinowych pozwalały na obnienie barwy wody poniej wartoci dopuszczalnej ( mg Pt/l). Lepsze efekty i przy niszych dawkach uzyskano dozujc do wody glinowe koagulanty modyfikowane. Obnienie barwy poniej mg Pt/l uzyskiwano przy dawkach około 2, mg Al 3+ /l, podczas gdy dla pozostałych koagulantów glinowych konieczne były dawki ponad dwukrotnie wiksze (powyej, mg Al 3+ /l). Najlepsze efekty uzyskano dozujc do wody koagulant glinowy, modyfikowany PAX XL 61, który pozwalał na obnienie barwy wody do około 7, mg Pt/l, przy zastosowaniu niewielkiej dawki rzdu 3, mg Al 3+ /l. 4 PAX , PAX , PAX XL 1 121

5 PAX XL 61 Barw a mg Pt/l , Rys. 1. Zmiany wybranych wskaników jakoci wody w koagulacji powierzchniowej w zalenoci od dawki koagulanta - koagulanty glinowe PAX (badania w skali ułamkowo technicznej) Badania w skali technicznej Drugi etap bada polegał na zastosowaniu koagulacji w pełnej skali technicznej. W tym celu w pomieszczeniu hydroforni zainstalowano pompk dozujc, wtłaczajc koagulant do uzdatnianej wody. Koagulant w postaci dostarczanej od producenta (nie rozcieczony) dozowano do przewodu tłocznego pompy głbinowej około 2, m przed aeratorem. Pompka dozujca włczała si automatycznie w momencie uruchomienia pompy głbinowej w studni i podawała do wody koagulant ze stała wydajnoci przez cały czas pracy pompy głbinowej. Wymieszanie koagulanta z wod nastpowało zarówno w przewodzie, jak i w aeratorze, skd woda przepływała do filtra cinieniowego ze złoem antracytowo-kwarcowym. Prdkoci filtracji nie przekraczały, m/h. 4 PAX XL , Fe i Mn mg/l PAX XL Fe i Mn mg/l

6 PAX XL19 Barw a mg Pt/l Mn mg/l , Fe i Mn mg/l Rys. 2. Zmiany wybranych wskaników jakoci wody w koagulacji kontaktowej w zalenoci od dawki koagulanta (badania w skali technicznej) Pocztkowo do bada zastosowano koagulant glinowy PAX XL 61, wytypowany w badaniach przeprowadzonych w skali ułamkowo technicznej. Pomimo dobrych efektów uzyskiwanych przy zastosowaniu tego koagulantu w pierwszym etapie bada, tym razem efekty były znacznie gorsze. Uzyskano wprawdzie obnienie barwy o około %, jednak barwa wody uzdatnionej, w zalenoci od zastosowanej dawki koagulanta, kształtowała si na poziomie od 16 do 18 mg Pt/l, czyli wyszym ni warto dopuszczalne dla wody przeznaczonej do spo- ycia. Równie przeniesienie punktu dozowania koagulanta do studni i wydłuenie czasu mieszania nie przyniosło znaczcej poprawy efektów oczyszczania wody. W tej sytuacji rozszerzono zakres bada o inne koagulanty glinowe, zarówno stosowane w pierwszym etapie bada, jak i nowe, dotychczas nie przebadane na stacji uzdatniania we wsi Piekło. Sporód przebadanych na tym etapie koagulantów tylko jeden, PAX XL 19 okazał si skuteczny (Rys. 2). Przy dawkach w zakresie ok. 6,9 9, g Al 3+ /m 3 (co w przeliczeniu na objto roztworu, o steniu dostarczanym przez producenta, wynosiło około 13 ml/m 3 ) uzyskano obnienie barwy, jak i elaza, manganu oraz mtnoci do wartoci dopuszczalnych polskimi normami. Po dłuszym (kilkutygodniowym) czasie dozowania koagulanta uzyskano obnienie barwy wody do 12 mg Pt/l przy jeszcze mniejszych dawkach, wynoszcych około,, mg Al 3+ /l (około 7 8 ml/m 3 ). Jednak w tym czasie zaobserwowano okresowe przekroczenia stenia glinu w uzdatnionej wodzie. Dokładne pomiary wykazały, e stenie glinu w odpływie z filtra stopniowo rosło w miar wydłuania si cyklu filtra- 123

7 cyjnego. Przekroczenia wartoci dopuszczalnej mg/l obserwowano po około 2 dobach po płukaniu filtra a po dobach stenie glinu sigało, mg/l (Rys. 3). Równie stenia elaza oraz mtno wody wzrastały w miar trwania cyklu filtracyjnego, przekraczajc wartoci dopuszczalne po około 2 3 dobach od płukania. Jedynie barwa rzeczywista wody, oznaczana w wodzie po przesczeniu przez sczek, nie ulegała pogorszeniu, przy czym obserwowano nawet popraw tego parametru w miar czasu trwania cyklu filtracyjnego. Najprawdopodobniej, przyczyn pogarszania si jakoci wody w miar czasu trwania cyklu filtracyjnego było przebicie filtra i wypłukiwanie zatrzymanej wczeniej zawiesiny, bdce skutkiem cyklicznej pracy filtra. Na to, e glin i elazo w odpływie z filtra wystpuj w formie nierozpuszczonej wskazywały analizy próbek wody po przesczeniu przez sczek, w których obydwa składniki wystpowały jedynie w ilociach ladowych. 14,7 Mtno [NTU] Barwa [mg Pt/l] doba cyklu filtracyjnego,6,, Mn Fe Al 3+ [mg/l] Barw a Mtno Al Fe Mn Rys. 3. Zmiany wybranych wskaników jakoci wody w koagulacji powierzchniowej w czasie cyklu filtracyjnego (badania w skali technicznej) Podsumowanie i wnioski Woda podziemna ze studni głbinowej we wsi Piekło charakteryzuje si podwyszon (w stosunku do wartoci dopuszczalnych) barw 3 36 mg Pt/l, elazem 8 mg Fe/l oraz manganem,6,8 mg Mn/l. Istniejcy obecnie, na terenie ujcia układ technologiczny (napowietrzanie i jednostopniowa filtracja przez złoe antracytowo-kwarcowe) nie pozwala na oczyszczenie ujmowanej wody. Zarówno stenia elaza, manganu, jak i barwa wody praktycznie nie ulegaj obnieniu. Przebadano kilka koagulantów z grupy PIX (elazowych) oraz PAX (glinowych) produkowanych przez firm Kemipol z Polic. W wyniku przeprowadzonych bada ustalono, e koagulanty elazowe (z grupy PIX) s nieskuteczne w przypadku wody z ujcia we wsi Piekło. Znacznie skuteczniejsze okazały si koagulanty glinowe (PAX). Jednak pomimo zblionego 124

8 składu chemicznego koagulantów ich skuteczno była róna. Lepsze efekty i przy niszych dawkach uzyskano dozujc do wody glinowe koagulanty modyfikowane (koagulanty PAX oznaczone symbolem XL). W badaniach przeprowadzonych w pełnej skali technicznej najskuteczniejszy okazał si koagulant PAX XL 19 (modyfikowany), który pozwalał na obni- enie barwy oraz ste elaza i manganu do poziomu zgodnego z polskimi normami. Efekty takie uzyskano przy dawkach wynoszcych około,, mg Al 3+ /l (około 7 8 ml/m 3 ). Zastosowanie tej metody w praktyce na ujciu we wsi Piekło wymagało skrócenia cyklu filtracyjnego do około 48 godzin, gdy po dłuszym czasie stosowania koagulacji zaobserwowano okresowe przekroczenia stenia glinu w uzdatnionej wodzie, które rosło w miar wydłuania si cyklu filtracyjnego, a przekroczenia wartoci dopuszczalnej obserwowano po około 2 dobach po płukaniu. Najprawdopodobniej, przyczyn przebicia filtra było wypłukiwanie zatrzymanej wczeniej zawiesiny, bdce skutkiem cyklicznej pracy filtra (czste wyłczenia dochodzce do koło w cigu doby). W przypadku filtrów pracujcych z równomiern wydajnoci mona si spodziewa, e długo cyklu filtracyjnego mogłaby by znacznie dłusza. Podsumowujc, badania technologiczne przeprowadzone w pełnej skali technicznej wykazały, e wod podziemn o podwyszonej barwie mona oczyszcza metod koagulacji powierzchniowej z zastosowaniem modyfikowanych koagulantów glinowych z grupy PAX XL. 1