Skuteczność usuwania żelaza z wody w warstwach wodonośnych

Transkrypt

1 Anatli Hurynvich, Pitr Wawrzeniuk Skutecznść usuwania żelaza z wdy w warstwach wdnśnych Streszczenie. Artykuł przedstawia wyniki badań naukwych w celu stwrzenia planu mdernizacji systemu usuwania żelaza z wód pdziemnych na istniejącym ujęciu wód pdziemnych w Jurwcach. Słwa kluczwe: warstwa wdnśna, ujęcie wód pdziemnych, studnia głębinwa, usuwanie żelaza. W Plsce szacuje się, że kł 70% wód pdziemnych wymaga dżelazienia i 55% dmanganiania. Ilść żelaza znajdująceg się w wdach pdziemnych mże wahać się d 0 d 100 mg/dm 3, a manganu d 0 d 10 mg/dm 3, gdzie standardy Unii Eurpejskiej dpuszczają 0,2 mg /dm 3 i 0,05 mg Mn/dm 3 [4]. Obecnie d usuwania żelaza z wód pdziemnych używa się standardwych rzwiązań: systemów napwietrzania wdy, i jedn lub dwu stpniwej filtracji. W bliczu światweg kryzysu finansweg knieczne jest zastswanie tańszych i prstszy spsób czyszczania wdy. Od dawna pszukiwan innych, metd uzdatniania wdy w zakresie żelaza i manganu, w szczególnści metdy bezpśrednieg wytrącenia w warstwie wdnśnej bądź też w samej studni tzw. iniekcja. Technlgia ta znana jest d pnad 50 lat, ma szerkie praktyczne zastswanie jak alternatywa dla klasyczneg systemu uzdatniania. Zstała zastswana kł 40 lat temu, głównie na systemy zapatrzenia w wdę Finlandii, Szwecji, Francji, Niemczech. W Plsce metdę iniekcji wdy zastswan w latach siedemdziesiątych we Wrnianach [6]. Wyróżniamy dwa najbardziej rzpwszechnine spsby iniekcji napwietrznej wdy d warstwy wdnśnej. Pierwsza zastswana metda Vyredx (Finlandia, Szwecja) plega na nasyceniu wdy tlenem i zakłysania jej w warstwę wdnśną pprzez studnie umieszczne dkła jednej centralnej, następnie pbór uzdatninej wdy z tej studni. W drugiej metdzie Subterra (Niemcy) wykrzystuje się jedną studnię d iniekcji jak i pbru wdy. D pdstawwych parametrów technlgicznych dla dbru instalacji dżelazienia wdy w warstwie wdnśnej zaliczane są wydatek Qz i czas t z wpmpwania wdy (zakłysania), wydatek Q 0 i czas t dpmpwania wdy (dkłysania), gwarantujące czyszczenie wdy d dpwiednich wielkści i z wymaganą Anatli Hurynvich, Pitr Wawrzeniuk Plitechnika Białstcka, Katedra Systemów Inżynierii Śrdwiska 230

2 D pdstawwych parametrów technlgicznych dla dbru instalacji delazienia wdy w warstwie wdnnej zaliczane s wydatek - Qz i czas - t z wpmpwania wdy (zakysania), wydatek - Q 0 i czas - t dpmpwania wdy (dkysania), gwarantujce czyszczenie wdy Inżynieria Eklgiczna Nr 26, 2011 d dpwiednich wielkci i z wymagan wydajnci ujcia wdy Q mr. Przy tym wydatek dkysania - Q 0 bierze si z naddatkiem Qi (przewidziana rezerwa wdy dla danej studni - 20%). wydajnścią ujęcia wdy Q mr. Przy tym wydatek dkłysania Q 0 bierze się z naddatkiem si na Qi knstrukcyjnych (przewidziana rezerwa waciwciach wdy dla i parametrach danej studni studni 20%). (udzielneg Opierając naddatku, się statyczneg knstrukcyjnych penia właściwściach pzimu wdy, hydraulicznej i parametrach charakterystyce studni (udzielneg czci studni naddatku, dbierajcej sta- Opierajc wd), tyczneg jak równie płżenia becn pzimu nadmierneg wdy, hydraulicznej cinienia na charakterystyce wylcie studni, części niezbdneg studni dbierającej wdę), jak również becnść nadmierneg ciśnienia na wylcie studni, dla wpmpwania wdy w warstw wdnn, ustala si maksymalny wydatek zakysania, który niezbędneg dla wpmpwania wdy w warstwę wdnśną, ustala się maksymalny spenia wydatek nastpujcy zakłysania, warunek który Q z musi Q i [4]. spełniać Dla uj skadajcych następujący si warunek z n studni Q (n > 2) [4], musi z Q i [4]. Dla w kresie ujęć składających dkysania czyszcznej się z n studni wdy (n z > jednej 2) [4], studni, w kresie d pzstaych dkłysania studni czyszcznej pwinn by przeprwadzane wdy z jednej zakysanie studni, d wdy pzstałych z tlenem. studni pwinn być przeprwadzane zakłysanie wdy z tlenem. t z = t : (n 1) [6] t z = t : (n 1) [6] Dla jednej studni przy pbrze wdy d razu d sieci wdcigwej, czas zakysania - t z, stabilizuje Dla si jednej pprzez studni psiadan przy rezerw, pbrze jak wdy równie d razu stwrzenia d sieci wdciągwej, dpwiednich rzmiarach czas zakłysania t strefy siadania elaza z, stabilizuje się pprzez psiadaną rezerwę, jak również stwrzenia [2]. dpwiednich rzmiarach strefy siadania żelaza [2]. Badania Badania w prjektwaniu w prjektwaniu uj wdy ujęć pdziemnej wdy pdziemnej z delazieniem z dżelazieniem w warstwie w wdnnej, warstwie dprwadziy wdnśnej, dprwadziły ustalenia prstej d ustalenia zalenci prstej midzy zależnści charakterystyk między wdy charakterystyką (fizycznymi, chemicznymi wdy (fizycznymi, i mikrbilgicznymi) chemicznymi i warstwy i mikrbilgicznymi) wdnnej (gelgicznych, i warstwy filtracyjnych wdnśnej (gelgicznych, filtracyjnych i gechemicznych), które są pdstawą bliczeń parametrów i gechemicznych), które s pdstaw blicze parametrów kinetyki adsrpcji tlenu d warstwy kinetyki adsrpcji tlenu d warstwy wdnśnej i kinetyki utleniania dwuwartściweg żelaza, wdnnej i kinetyki przedstawia utleniania kreślne dwuwartciweg trudnści związane elaza, przedstawia z kniecznść krelne przeprwadzenia z knieczn próbnych badań przeprwadzenia bezpśredni próbnych na studni bada głębinwej bezpredni [1,2]. na studni gbinwej [1,2]. trudnci zwizane Istnieje Istnieje zalen zależnść pmidzy pmiędzy czasem dpmpwania czasem dpmpwania wdy (t - czas wdy dkysania) (t czas dkłysania) i czasem wpmpwania wdy (t i czasem wpmpwania wdy (t z czas zakysania). z czas zakłysania). t A = 1+ Qzt = A Q C z B, [5] C ln 1 0,3 B = ; C i [5] = 0,143 - stechimetryczny wspóczynnik, il tlenu ptrzebna d utleniania 1 mg, β = 0,143 stechimetryczny współczynnik, ilść tlenu ptrzebna d utleniania 1 mg σ, knstanta prędkści utleniania 2 tlenem, adsrbwanym na różnych C rdzajach warstw, pczątkwa kncentracja w wdzie, t 0 czas dpmpwania wdy (dkłysania), t z - czas wpmpwania wdy (zakłysania), Q i Qz wydatek dkłysania i zakłysania wdy, 231

3 - knstanta prdkci utleniania tlenem, adsrbwanym na rónych rdzajach warstw, C - pcztkwa kncentracja w wdzie, t 0 czas dpmpwania wdy (dkysania), t z - czas wpmpwania wdy (zakysania), Inżynieria Eklgiczna Q i Qz wydatek Nr 26, dkysania 2011 i zakysania wdy, - kmplekswa wielk, charakteryzujca ddzieln nrm adsrpcji pwietrza dla rónych warstw wdnnych. ζ - kmplekswa wielkść, charakteryzująca ddzielną nrmę adsrpcji pwietrza dla różnych warstw wdnśnych. Niewyjaśnine parametry kinetyki σ C Niewyjanine parametry kinetyki i ζ wyjaśniają się dknaniu i wyjaniaj pmiarów C i ), 2 + = f(t si p dknaniu pmiarów 2 + i = f(t i i ), trzymanych przy próbnym dżelazieniu z zależnści: trzymanych przy próbnym delazieniu z zalenci: gdzie Q zt z C 2 t i 0 Q T = + 0 Ñ expt C = [3], expt + exp X 1 Q t X = + z z 2 [3]. Q C C kncentracja w wdzie przy dkłysaniu w czasie t 0. - kncentracja w wdzie przy dkysaniu w czasie t 0. Otrzymane dane s wyjciwymi dla przeprwadzenia hydrgelgicznych, Otrzymane dane są wyjściwymi dla przeprwadzenia hydrgelgicznych, technlgicznych i technicznych blicze, w celu znalezienia ptymalneg rzwizania, technlgicznych i technicznych bliczeń, w celu znalezienia ptymalneg rzwiązania, dla planwaneg ujcia jak i technlgii ujęcia jak uzdatniania i technlgii wdy uzdatniania w warstwie wdy wdnnej. w warstwie wd- dla planwaneg nśnej. Prawidw pracy studni, plega na tym, e filtr pracuje w dwóch kierunkach. W celu signicia Prawidłwść ptymalneg efektu pracy wzbgacenia studni, plega warstwy na tym, wdnnej że filtr tlenem, pracuje studnia w dwóch pwinna kierunkach. W celu siągnięcia ptymalneg efektu wzbgacenia warstwy wdnśnej tle- mie tak knstrukcje, aby filtr i warstwa przyfiltrwa stawiay minimalny pór i prdkci przepywu nem, studnia pwinna mieć taką knstrukcje, aby filtr i warstwa przyfiltrwa stawiały filtra minimalny byy takie pór same. i prędkści D teg przepływu pwinna by wzdłuż dbrana filtra dpwiednia były takie bsypka same. D warstwy teg wzdu przyfiltrwej, pwinna dpwiedni być dbrana dbranej dpwiednia grubci bsypka [1,2]. warstwy przyfiltrwej, dpwiedni dbranej D bada grubści zstaa [1,2]. wykrzystana studnia nr 15D, znajdujca si na ujciu wód pdziemnych D badań zstała wykrzystana studnia nr 15D, znajdująca się na ujęciu wód w Jurwcach, gdzie wdy charakteryzuj si pdwyszn ilci zwizków elaza i manganu, pdziemnych w Jurwcach, gdzie wdy charakteryzują się pdwyższną ilści a take związków substancji żelaza rganicznych i manganu, wyranych a także substancji p przez barw rganicznych i utlenialn. wyrażnych Studnia 15D p przez zstaa wywiercna barwę i w utlenialnść. latach 1991 Studnia 1992 i d 15D rku zstała 1997 ze wywiercna wzgldu z w latach jak wdy 1991 bya 1992 wyczna i d rku 1997 ze względu na złą jakść wdy była wyłączna z użytku. z uytku. Pdstawwymi parametrami charakteryzującymi studnię badawczą są: Pdstawwymi parametrami charakteryzujcymi studni badawcz s: - Q eksplatacyjne ujęcia = 60 m 3 /h, Q dp. filtru = 118 m 3 /h - Q eksplatacyjne - k = 0, ujcia = m/sek. 60 m 3 /h, wyznaczneg Q dp. filtru = 118 na mpdstawie 3 /h wyników próbneg pmpwania m/sek. wyznaczneg na pdstawie wyników próbneg pmpwania - k = 0, gbk - głębkść 40,7 m, rednica 40,7 m, 1,4 średnica m, 1,4 m, - zwierciadł statyczne wdy na pzimie 2,4 m 3 W związku z ptrzebą przeprwadzenia badań zstała wstawina pmpa typu GC 5.06 wydajnści 60 m 3 /h na głębkści 24 m pd pwierzchnią terenu pmiędzy filtrami studni. 232

4 Na schemacie (rysunek nr 1) przedstawin instalacj, jaka zstaa uyta d wadzenia bada. W jej skad wchdz Inżynieria Eklgiczna nastpujce Nr 26, elementy: 2011 inektr, zawry, manmetr wmierz elektrmagnetyczny, wdmierz, zawór dpwietrzajcy. Badania zstały przeprwadzne na instalacji d iniekcji wdy napwietrznej przy użyciu teg sameg przewdu tłczneg, który jest używany d wypmpwywania wdy ze studni. Na schemacie (rysunek nr 1) przedstawin instalację, jaka zstała użyta d przeprwadzenia badań. W jej skład wchdzą następujące elementy: inżektr, zawry, manmetry, przepływmierz Schemat instalacji elektrmagnetyczny, d napwietrzania wdmierz, wdy pdziemnej zawór dpwietrzający. Rysunek n materiay wasne Rys. 1. Schemat instalacji d napwietrzania wdy pdziemnej. Źródł: materiały własne Fig. 1. Diagram f installatin f undergrund water fr aeratin. Surce: wn research Czas przeprwadzenia badań rzłżył się w następujący spsób, przez trzy dni warstwa wdnśna była napwietrzana mieszanką wdn-pwietrzną w ilści 1800 m 3 (25 m 3 /h), p zakńczeniu napwietrzania przez dwie gdziny wypmpwan 90 m 3 wdy zanieczyszcznej na wlny wypływ. Klejnym krkiem był pmpwanie wdy przez 19 dni (457 gdzin) w ilści m 3 (45 m 3 /h) w rurciąg główny. Badania analityczne wdy uzdatninej bejmwały następujący zestaw znaczeń: barwę, mętnść, żelaz gólne, mangan. Oznaczenia wyknan zgdnie z bwiązującymi nrmami i zaleceniami. Czas przeprwadzenia bada rzy si w nastpujcy spsób, przez trzy dni warstw na bya napwietrzana mieszank wdn-pwietrzn w ilci 1800 m 3 (25 m 3 /h), czeniu napwietrzania przez dwie gdziny wypmpwan 90 m 3 wdy zanieczyszczn ny wypyw. Klejnym krkiem by pmpwanie wdy przez 19 dni (457 gdzin) w il 3 (45 m 3 /h) w rurcig gówny. 233

5 Z stsunku bjętści wdy uzdatninej d bjętści wdy użytej d iniekcji mżemy kreślić współczynnik efektywnści uzdatniania wdy η. η = / 1800 = 11,4 [6] Wartść współczynnika efektywnści jak wynika z dświadczeń, mże zmieniać się w szerkim zakresie d 3 d 50 [6]. W Plsce stwierdzn dświadczalnie wartść teg współczynnika w zakresie d 3 d 19 c w przypadku trzymaneg wyniku 11,40 daje nam dść dbry rezultat. Dla ujęcia wdy we Wrnianach i Odrzycku współczynnik ten jest na pzimie 3, przy przeprwadzeniu pnad 16 cykli iniekcji. Zważywszy na t, że jest t pierwszy cykl iniekcji dla danej studni i birąc pd uwagę przeprwadzenie dalszych cyklów iniekcji wartści współczynnika pwinna wzrastać [6]. Na pdstawie przeprwadznych badań labratryjnych mżemy stwierdzić, że metda uzdatniania wód głębinwych w warstwie wdnśnej przynisła dbre efekty usuwania związków żelaza i manganu w wdzie. Wyniki przeprwadznych badań zstały przedstawine w pniższych wykresach, które zawierają dane dtyczące wyknania badania: stężenia manganu, żelaza gólneg, barwy, mętnści, wydatku wdy. Na wykresach 1 i 2 zstały przedstawine wahania stężenia żelaza i manganu w zależnści d ilści wypmpwanej wdy. Przy pczątkwym stężeniu żelaza 1,11 mg /dm 3 wdy zstała na bniżna w maksymalnym mmencie d 0,09 mg /dm 3, c dał efekt usunięcia żelaza rzędu 92%, pdbnie sytuacja ma się w przypadku stężenia manganu gdzie z 0,3 mg Mn/dm 3 spadła d 0,05 mg Mn/dm 3, trzymaliśmy 83% efektywnść jeg usunięcia. Rys. 2. Wahania stężenia żelaza w zależnści d ilści wypmpwanej wdy. Źródł: badania własne Fig. 2. Fluctuatins in irn cncentratin depending n the amunt f water pumped. Surce: wn research 234

6 Rys. 3. Wahania stężenia manganu w zależnści d ilści wypmpwanej wdy. Źródł: badania własne Fig. 3. Fluctuatins in cncentratins f manganese, depending n the amunt f water pumped. Surce: wn research Rys. 4. Wahania barwy w zależnści d ilści wypmpwanej wdy. Źródł: badania własne Fig. 4. Fluctuatins in clr depending n the amunt f water pumped. Surce: wn research Rys. 5. Zmiany mętnści w zależnści d ilści wypmpwanej wdy. Źródł: badania własne Fig. 5. Changes in turbidity depending n the amunt f water pumped. Surce: wn research 235

7 Wniski W parciu przeprwadzne badania mżna wyciągnąć następujące wniski: Metda uzdatniania wdy w warstwie wdnśnej w Jurwcach dała bardz dbre rezultaty w zakresie bniżenia stężenia związków żelaza, manganu, barwy i mętnści, Dzięki wykrzystaniu prcesu iniekcji studnie, które dtychczas były niewykrzystane z pwdu dużych stężeń żelaza i manganu, mgą pnwnie wrócić d użytku, dzięki czemu nie ma ptrzeby wiercenia nwych studni i pnszenia wyskich ksztów z tym związanych, Przy przeprwadzaniu prcesu iniekcji nie ma ptrzeby stałeg nadzrwania techniczneg. Jest n ptrzebny jedynie przy załączaniu napwietrzania i włączeniu ujęcia d rurciągu główneg, Stswanie tej metdy w uzdatnianiu wód wydłuża żywtnść agregatów pmpwych i rurciągów, które ulegały szybkiemu zarastaniu związkami żelaza i manganu, c przekłada się na bniżenie ksztów eksplatacji ujęcia, Kszty wdrażania tej metdy w prównaniu z metdami tradycyjnymi są znacznie mniejsze. bibligrafia 1. A. Gurinwicz, Systemy pitneg zapatrzenia w wdę z studni głębinwych, planwanie, prjektwanie, budwa i eksplatacja, Wydawnictw Technprint, Mińsk 2004 r. 2. A. Gurinwicz, Teretyczne i techniczne pczątki pdnszenia się efektywnści systemów pitneg zapatrzenia w wdę z pdziemnych źródeł, Mińsk 2001 r. 3. G. Kmmunar, Oczyszczanie wód pdziemnych d celów zapatrzenia w wdę, Dis. Dct. Tekhn. Science: , - Instytut w Mskwie VODGEO 1987 r., str A. Kwal Odnwa wdy. Pdstawy teretyczne prcesów, Wrcław 1996 r. 5. V. Kulakv, S. Archipw, A. Kzy, Hub - Cper, Zalecenia metdyczne dtyczące pracwania warunków technlgicznych usuwania żelaza i manganu z wód pdziemnych w warstwie wdnśnej, Centrum Naukw - Techniczne Dalgetsentr Center Cmp., Chabarwsk 1999 r., str J. Nawrcki, S. Biłzr, Uzdatnianie wdy, prcesy chemiczne i bilgiczne, Wydawnictw Naukwe PWN, Warszawa Pznań 2000 r., str. 481, 489. Effectiveness f remving irn frm water in water-bearing strata Abstract. The article presents the results f scientific research in rder t create a plan t upgrade the system t remve irn frm grundwater at the muth f the existing grundwater intake in Jurwce. Keywrds: aquifer, grundwater intake, deep wells, irn remval. 236