BADANIA W SKALI TECHNICZNEJ PRZY UYCIU RÓNYCH KOAGULANTÓW

Transkrypt

1 dr hab. in. Waldemar SAWINIAK prof. w Pol. l. 1.2 in. Barbara KOTLARCZYK 2, mgr in. Katarzyna NADOLSKA 2 dr in. Izabela ZIMOCH 1.2, mgr in. Marek CZECHOWSKI 2, in. Maciej MATUSIAK 2 1. Politechnika lska, Instytut Inynierii Wody i cieków Gliwice, ul. Konarskiego Górnolskie Przedsibiorstwo Wodocigów S.A Katowice, ul. Wojewódzka 19 BADANIA W SKALI TECHNICZNEJ PRZY UYCIU RÓNYCH KOAGULANTÓW Wstp Duy niedobór wody wystpujcy w intensywnie rozwijajcym si regionie Polski, jakim był lsk, spowodował po latach 60, 70 konieczno wybudowania oraz wczeniejszy rozruch stacji jeszcze w trakcie budowy (padziernik 1971r.). Stacja jest zaopatrywana w wod z ostatniego zbiornika w kaskadzie rzeki Soły - zbiornika Czaniec, który jest zbiornikiem bardzo małym, płytkim i typowo przepływowym. Całkowita pojemno zbiornika przy pitrzeniu maksymalnym wynosi 1,3 mln m 3, a powierzchnia zalewu - 44,2 ha [2]. Zbiornik został wybudowany jako jeden z elementów ujcia wody dla Górnolskiego Okrgu Przemysłowego, Bielska Białej, Kckiej Spółki Wodnej, zasilania stawów rybnych oraz wyrównywania przepływu w rzece Sole poniej zapory. Jako wody zbiornika (2003 r.) pod wzgldem fizyko - chemicznym odpowiada A 2 klasie czystoci. Analiza bakteriologiczna wykazała, e wiosn i jesieni zbiornik naley zaliczy do A 1 klasy czystoci, natomiast latem do A 2 klasy jakoci. W wodach zbiornika stwierdzono wystpowanie organizmów charakterystycznych dla wód czystych [2]. Krótki czas retencji wody powoduje, e w zbiorniku wystpuj warunki niesprzyjajce ujawnianiu si skutków procesu eutrofizacji [2]. Woda ze zbiornika Czaniec zaopatruje stacj uzdatniania Kobiernice oraz Goczałkowice. Dla alternatywnego zasilania Goczałkowic (albo ze zbiornika Goczałkowice albo ze zbiornika Czaniec) pod kod koniec lat '70 zbudowano rurocig do Goczałkowic. Woda z ujcia (ujcie lewarowe) przesyłana jest grawitacyjnie do tzw. Go-Cza II i oczywicie do Kobiernic. Stacja Uzdatniania Wody Czaniec w Kobiernicach jest jednym z 11 zakładów GPW S.A. Katowice. W latach `70 i `80 produkcja wody kształtowała si na poziomie m 3 / dob. Obecnie produkcja mieci si w granicach m 3 /dob. 3

2 Po 35 latach pracy stacji zaistniała konieczno podjcia prac badawczo-projektowych majcych na celu przeprowadzenie celowej i racjonalnej modernizacji cigu technologicznego uzdatniania wody. W planach modernizacyjnych uwzgldniono modernizacj komór filtracyjnych (32 komory) wraz z wymian istniejcego systemu drenaowego na system typu LEOPOLD. Modernizacja procesu filtracji kontaktowej powinna obejmowa zmian drenau na taki, który pozwala stosowa płukanie powietrzem i wod. Dotychczasowy drena kulowy nie pozwala na stosowanie powietrza do wstpnego płukania filtrów. Niezalenie od zmian systemu drenaowego naley zwikszy skuteczno usuwania zwizków organicznych z wody (prekursorów THM-ów). Dla uzyskania dodatkowych efektów uzdatniania zaplanowano prace badawcze przy uyciu koagulantów wstpnie zhydrolizowanych. Wymaga to nowych, równoległych urzdze do dozowania płynnych koagulantów. SUW Czaniec Woda z ujcia (rys.1.) rurocigiem lewarowo-grawitacyjnym φ1500 mm o długoci 2,9 km dopływa do pompowni centralnej stacji, w której znajduj si: pompy wody surowej (2 pompy diagonalne typu 80D-32 o wydajnoci 5800 m 3 /h i wysokoci podnoszenia 21 m oraz 4 pompy diagonalne typu 60D-40 o wydajnoci 2800 m 3 /h i wysokoci podnoszenia 20 m), pompy wody uzdatnionej (2 pompy diagonalne typu 80D-31 o wydajnoci 5000 m 3 /h i wysokoci podnoszenia 20 m oraz 3 pompy diagonalne typu 60D-40 o wydajnoci 2800 m 3 /h i wysokoci podnoszenia 20 m), pompy wody płuczcej (3 pompy diagonalne typu 50D-22 o wydajnoci 1600 m 3 /h i wysokoci podnoszenia 35 m) oraz pompy tłoczce wod czyst do budynku chlorowni. Cig technologiczny uzdatniania wody został podzielony na 4 jednostki, umoliwiajce samodzieln lub łczn eksploatacj. Woda surowa przepompowywana jest do 4 zbiorników wstpnych, w których nastpuje odpowietrzenie wody oraz sedymentacja grubszej zawiesiny. Po 5-6 minutowym czasie zatrzymania wody w zbiornikach wstpnego jej uzdatniania, woda przepływa grawitacyjnie na filtry kontaktowe. Układ technologiczny obejmuje cztery niezalene segmenty po 8 piaskowych komór bliniaczych o powierzchni filtracji 46 m 2 i łcznej wysokoci złoa 2,5 m, wzajemnie współpracujcych. Prdko filtracji wynosi 5 m/h. Woda z koagulantem (siarczan glinu) dopływa do złó filtracyjnych od dołu. W złoach zachodzi koagulacja i filtracja zawiesin. Filtry kontaktowe płukane s wod chlorowan z intensywno- ci 12 l/m 2 /s w czasie 8-10 min, czas wpracowania złoa filtracyjnego po płukaniu wynosi około min. Woda w procesie filtracji przepływa przez złoe od dołu do góry, a na- 4

3 stpnie odpływa do rynny zbiorczej. Jedna rynna zbiorcza obsługuje równoczenie dwa bliniacze złoa. Długo filtrocyklu waha si w zalenoci od jakoci wody surowej od 8 h do 72 h (rednio 48 h). Popłuczyny z filtrów odprowadzane s grawitacyjnie kanałem φ 1500 mm na odstojniki zlokalizowane w dolinie rzeki Soły, a osady składowane s na poletkach odsczajcych [1]. Zbiornik Wody surowej Filtry Kontaktowe Segment A Filtry Kontaktowe Zbiornik wody Chlorowanie 1 Zbiornik wody UJCIE STUDNIA ZBIORCZA Zbiornik wody surowej Segment B Filtry Kontaktowe Segment C Filtry Kontaktowe Chlorowanie 2 Zbiornik wody Chlorowanie 3 Zbiornik wody Woda uzdatniona Segment D Chlorowanie 4 Odstojniki i poletka osadowe wód technologicznych Rys.1. Układ technologiczny SUW Czaniec Układ technologiczny uzdatniania wody (rys. 1.) obejmuje: ujcie wody; studni zbiorcz; zbiorniki wody surowej; filtry kontaktowe (64 komory); zbiorniki wody czystej; odstojniki i poletka osadowe wód technologicznych. Woda przefiltrowana odpływa grawitacyjnie do czterech zbiorników wody o pojemnoci sumarycznej m 3. W zbiornikach nastpuje półgodzinny kontakt wody z chlorem doprowadzanym w formie wody chlorowej z budynku chlorowni. Dezynfekcja od pocztku eksplo- 5

4 atacji stacji była prowadzona chlorem gazowym. W 2001 roku do eksploatacji została włczona nowa chlorownia, wyposaona w nowoczesn technologi wytwarzania wody chlorowej. Chlorownia ta nie jest uciliwa w obsłudze, zawiera nowoczesn instalacj neutralizacji chloru i wszelkie niezbdne zabezpieczenia ludzi i otoczenia przed niekontrolowan emisj chloru. Sterownie i kontrola pracy urzdze odbywa si automatycznie z moliwoci sterowania rcznego z dyspozytorni przylegajcej do pomieszczenia wag oraz pomieszczenia chloratorów. Woda uzdatniona ze zbiorników wody czystej wpływa do rurocigu elbetowego φ 1500 mm Kobiernice Urbanowice o długoci 32,4 km, rónica wysokoci na trasie wynosi 51 m, co umoliwia przeprowadzenie grawitacyjne rurocigiem ok. 2,5 m 3 /s wody. Po drodze do Urbanowic wod z tego rurocigu zaopatrywane jest kilka miejscowoci (~ 500 m 3 /h), a pozostała woda wpływa do zbiorników wyrównawczych na terenie przepompowni Urbanowice (o łcznej pojemnoci m 3 ), gdzie jest dochlorowywana podchlorynem sodu, nastpnie jest pobierana i przetłaczana pompami wysokiego cinienia do rurocigu stalowego φ1400 mm o długoci 11,8 km Urbanowice Zbiorniki Mikołów, skd tłoczona jest do sieci magistralnej aglomeracji lskiej. Proces koagulacji prowadzony z uyciem filtrów kontaktowych jest bardzo skutecznym i efektywnym procesem uzdatniania wody. Pozwala przy wykorzystaniu jedynie filtracji usun obecne w wodzie podstawowe zanieczyszczenia takie jak: mtno, barwa do poziomu wymaganego przez obowizujce aktualnie przepisy. Jest przy tym znacznie bardziej ekonomiczny od układów koagulacji objtociowej zarówno na etapie inwestycji, jak i w czasie jego eksploatacji. Oszczdnoci w tym drugim przypadku zwizane s głównie z mniejszym zuyciem reagentów, a co za tym idzie mniejszymi kosztami przeróbki osadów pokoagulacyjnych. Oprócz wielu zalet filtry kontaktowe maj take pewne mankamenty. Najpowaniejszy to ograniczona zdolno przyjcia ładunku zawiesin. Reagentami, których mechanizm koagulacji jest odpowiedni dla przebiegu koagulacji w złou s koagulanty wstpnie zhydrolizowane o wysokiej zasadowoci. Ich zastosowanie w miejsce typowych koagulantów hydrolizujcych jak np. siarczan glinu, pozwala na obnienie dawek reagenta, uniezalenienie przebiegu koagulacji od czynników zewntrznych (ph, temperatura) oraz zwiksza stabilnoci wody [1]. Jako wody surowej Woda surowa uzdatniania w SUW Czaniec ujmowana jest ze zbiornika Czaniec. Jej jako kwalifikuje j do grupy tzw. wód górskich. Wczeniej przedstawiano, e woda w zbiorniku 6

5 Czaniec jest II klasy czystoci. Jednak okresowo nastpuj znaczne zmiany jakoci. Efektem gwałtownych opadów atmosferycznych lub topnienia niegu jest pogarszajca si jako wody szczególnie, jeeli chodzi o mtno i barw, czego nastpstwem s przymusowe postoje stacji. W latach utlenialno wody surowej kształtowała si na poziomie 1,6-5,0 mgo 2 /dm 3. W tym okresie woda charakteryzowała si ponadto rednimi wartociami parametrów: ph-7,6 (zmienno 7,3-8,1), amoniak - 0,06 mgnh 4 /dm 3 (zmienno 0,02-0,15 mgnh 4 /dm 3 ), elazo 0,10 mgfe/dm 3 (zmienno 0,03-0,3 mgfe/dm 3 ), mangan 0,07 mgmn/dm 3 (zmienno 0,00-0,25 mgmn/dm 3 ). Tabela 1. Wybrane rednie roczne wartoci wody surowej pobieranej do produkcji na stacji SUW Czaniec w latach Oznaczenia Jednostki Temperatura C 2,2/10,4/19,4 1,6/8,9/18,5 1,4/10,7/20,0 2,8/11,0/21,7 Mtno NTU 2,2/5,71/12,73 2,33/6,58/13,5 2,25/7,4/29,42 1,5/7,1/79,0 Barwa mg/dm 3 Pt 13/18/21 10,8/16/19,6 10/15/26 10/15/60 Odczyn ph 7,5/7,7/7,9 7,3/7,6/7,9 7,3/7,5/7,6 7,1/7,5/8,6 Glin mg/dm 3 Al 0,01/0,06/0,10 0,07/0,09/0,14 0,04/0,07/0,12 0,00/0,08/0,31 Mangan mg/dm 3 Mn 0,03/0,07/0,20 0,00/0,06/0,11 0,03/0,1/0,2 0,02/0,09/0,36 4,0 3,0 2,0 1,0 0, ChZT (KMnO4) woda surowa [mg/dm3] Zasadowo ogólna woda surowa [mval/dm3] ChZT (KMnO4) woda uzdatniona [mg/dm3] Zasadowo ogólna woda uzdatniona [mval/dm3] Rys.2. Zmiany wartoci wybranych parametrów w wodzie surowej i uzdatnionej w latach

6 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0, mtno woda surowa [NTU] barwa woda surowa [mg Pt/dm3] ph woda surowa mtno woda uzdatniona [NTU] barwa woda uzdatnionamg [mg Pt/dm3] ph woda uzdatniona Rys.3 Zmiany wartoci wybranych parametrów w wodzie surowej i uzdatnionej w latach Cel i zakres bada w skali technicznej Zasadniczym celem bada przy uyciu koagulantów PAX XL 19F oraz PAX XL 1905 było okrelenie skutecznoci uzdatniania wody w odniesieniu do stosowanego siarczanu glinu. Badania przeprowadzono w wydzielonych czterech komorach filtracyjnych SUW Czaniec o łcznej powierzchni filtracyjnej 184 m 2. Poszczególne koagulanty dozowano do rurocigu zasilajcego wytypowane cztery filtry kontaktowe. Prdko filtracji wynosiła 4 m/h. Poniewa dowiadczenia wykonywano podczas normalnej eksploatacji stacji to pozostałe filtry kontaktowe uzdatniały wod dodawanym siarczanem glinu. Prdko filtracji podczas koagulacji siarczanem glinu równie wynosiła 4 m/h. Pozwala to porówna stopie rozpuszczonych zwizków organicznych przy rónych koagulantach dla takiej samej wody surowej. Dodatkowym aspektem bada z koagulantami typu PAX była ocena stopnia usunicia glinu wystpujcego w wodzie surowej i glinu pozostałego po procesie koagulacji. Naley nadmieni, e zastosowane koagulanty do dowiadcze w skal technicznej wybrano na podstawie wczeniej wykonanych testów w skali laboratoryjnej [3]. W trakcie bada dawki reagentów dostosowano do jakoci wody surowej i oczekiwanego usunicia barwy do wartoci poniej 15 mg/l i mtnoci poniej 1 NTU. Stosowane dawki PAX-u 19F wynosiły 5,7 9,8 g/m 3, a PAX-u ,7 11,0 g/m 3 w przeliczeniu na produkt techniczny. W tym samym okresie dawki siarczanu glinu wynosiły odpowiednio: a) podczas stosowania PAX-u 19F dawki siarczanu glinu wynosiły od 15,8 do 17,7 g/m 3, b) podczas bada z PAX-em 1905 dawki siarczanu glinu wynosiły od 16,1 do 19,9 g/m 3. 8

7 Dawki koagulantów [mg/dm3] PAX XL 19F Siarczan glinu ( ) PAX XL 1905 Siarczan glinu ( ) rednia max min Rys. 4. Porównanie dawek PAX XL 19F i PAX XL 1905 do siarczanu glinu podczas przeprowadzanych prób technicznych Tabela 2. Własnoci chemiczne koagulantów Koagulant ph Tlenek glinu Al 2 O 3 ogólne elazo Chlorki Zasadowo Al ny [%] OH/ Siarcza- Glin [%] [%] [%] [%] PAX XL 19F 4,0±0,5 8,5±0,3-5,5±0, PAX XL ,6±0,4 6,00±0,5-5,0±1,0-85±5 - - Siarczan glinu - 9,2±0,2 17,2±0,2 - max 0, Omówienie wyników bada Podczas bada jako wody surowej była typowa dla zbiornika w Czacu. Wyniki istotnych wskaników wody surowej przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Parametry wody surowej w okresie przeprowadzanej próby technicznej. Oznaczenie Jednostki Minimum rednia Maksimum Mtno NTU 7, Barwa mgpt/dm ph 7,2 7,3 7,5 Glin mgal/dm 3 0,08 0,11 0,15 Przenikalno UV przy długoci fali 254 nm Absorbancja 0,099 0,108 0,117 Przenikalno UV przy długoci fali 272 nm Absorbancja 0,084 0,095 0,11 9

8 Stwierdzono, i aby uzyska zadawalajce efekty koagulacji wystarczyły o wiele mniejsze dawki wprowadzanego koagulantu, zarówno PAX XL 19F jak i PAX XL 1905 w stosunku do stosowanego na stacji siarczanu glinu (rys. 4). Ponadto parametry wody po obu koagulacjach (porównujc PAX do siarczanu glinu) były podobne, a nawet niektóre nisze po PAX-ach. Stopie redukcji mtnoci w stosunku do wody surowej badanych koagulantów przedstawia tabela 4 oraz rys. 5. Wartoci dwutlenku wgla po PAX-ach były nisze nawet o 40% w stosunku do siarczanu glinu. Równie na korzy reagentów z grupy PAX wskazywał procent redukcji w stosunku do wody surowej manganu, elaza oraz azotynów. Take po koagulantach zhydrolizowanych wystpowały znacznie nisze wartoci glinu pozostałego w wodzie filtrowanej ni po stosowanym na stacji siarczanie glinu. Dla PAX XL 19F rednia warto glinu wynosiła 0,12 mg/dm 3 co stanowi warto mniejsz o 20% w stosunku do stosowanego na stacji siarczanu glinu, natomiast dla PAX XL 1905 rednio 0,10 mgal/dm3 co stanowi warto mniejsz o 33,33%. (rys. 6). Tabela 4. Stopie redukcji mtnoci i barwy w stosunku do wody surowej PAX XL 19F Siarczan glinu PAX XL 1905 Siarczan glinu redni stopie redukcji mtnoci redni stopie redukcji barwy 97,31% 96,21% 97,76% 96,68% 74,23% 74,23% 75,00% 75,00% Stopie redukcji [%] 100,00% 95,00% 90,00% 85,00% 80,00% 75,00% 70,00% 65,00% 60,00% PAX XL 19F PAX XL 1905 Mtno Barwa Rys. 5 redni stopie redukcji mtnoci i barwy w stosunku do wody surowej podczas przeprowadzonych bada 10

9 0,25 PAX XL 19F PAX XL 1905 siarczan glinu woda surowa 0,2 Glin [mgal/dm3] 0,15 0,1 0,05 0 max min rednia Rys.6. Porównanie wartoci glinu poszczególnych koagulantów do wody surowej podczas przeprowadzonych bada Ocena stopnia usunicia zwizków organicznych wyraonych absorbancj w UV w przeprowadzonej próbie technicznej wykazała rónice w odniesieniu do absorbancji wody 1 surowej. Wartoci absorbancji w UV wody surowej wynosiły UV cm 1 254nm - 0,110; UV cm nm 242-0,098. Zmniejszenie redniej wartoci absorbancji w UV 254 wynosiło w przypadku PAX XL 19F 59,09%, PAX XL ,82% oraz siarczanu glinu - 63,64%. Podobne wartoci odnotowano w przypadku absorbancji UV 272 (PAX XL 19F 62,24%, PAX XL ,29%, siarczan glinu 66,33%). Przenikalno 254 nm i 272 nm [absorbancja] 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 woda surowa UV 254 woda surowa UV 272 siarczan glinu UV 254 siarczan glinu UV 272 PAX XL 19F UV 254 PAX XL 19F UV 272 PAX XL 1905 UV 254 PAX XL 1905 UV 272 Max Min rednia Rys. 7. Porównanie absorbancji przy długoci fali 254 i 272 nm dla wody surowej oraz filtrowanej z rónymi koagulantami. Wnioski Badania wykazały, e zastosowanie w przyszłoci koagulantów zhydrolizowanych bdzie korzystne ze wzgldu na wyeliminowanie do uciliwego procesu roztwarzania i przygotowywania siarczanu glinu do dozowania (PAX-y produkowane s w postaci gotowych roztworów). 11

10 Zastosowanie roztworów PAX-ów ograniczyłoby lub całkowicie wyeliminowało konieczno prowadzenia korekty ph wody nawet przy duych dawkach koagulantów. Badania potwierdziły, i zawarto glinu w wodzie filtrowanej po zastosowaniu reagentów PAX jest o wiele nisza ni po stosowanym na stacji siarczanie glinu. Zastpienie siarczanu glinu jednym z badanych koagulantów wstpnie zhydrolizowanych pozwoliłoby na uzyskanie lepszej jakoci wody uzdatnionej pod wzgldem korozyjnoci. Nie obserwowano obniania ph co ma stałe miejsce podczas stosowania siarczanu glinu. Badania przeprowadzono w okresie zimowym (temperatura wody do produkcji mieciła si w zakresie od 3,1 do 9,6 0 C), dlatego te naleałoby powtórzy badania w okresie letnim przy wyszych temperaturach wody surowej. Literatura [1] Dokumentacja Techniczna SUW Czaniec [2] K. Stachowicz, M. Czernoch Charakterystyka ekologiczna zbiorników zaporowych na Sole IGPiK Oddział Kraków 1992 [3] I. Zimoch, B. Kotlarczyk Dowiadczenia z zastosowania koagulantów wstpnie zhydrolizowanych w SUW Czaniec jako narzdzie wytyczajce kierunki modernizacji układu technologicznego, Ochrona rodowiska 3/