in. Radosław Walczak in. Roman Jurec SUW Straszyn Saur Neptun Gdask SA POSZUKIWANIA EFEKTYWNIEJSZYCH KOAGULANTÓW DO UZDATNIANIA WODY POWIERZCHNIOWEJ NA PRZYKŁADZIE UJCIA WODY PITNEJ DLA MIASTA GDASK Streszczenie Referat przedstawia histori zmian w zastosowanych rodkach do prowadzenia koagulacji na ujciu wody powierzchniowej Straszyn, zaopatrujcego w wod pitn miasto Gdask. W referacie zawarte zostały główne przyczyny wprowadzanych zmian i cele do których dono w trakcie realizacji poszukiwa i testów. Omówiono równie efekty pracy oraz ich wpływ na dalsze przedsiwzicia w dziedzinie optymalizacji procesu. Wstp Koagulacja jest procesem zwikszajcym tendencj małych czstek zawieszonych i rozpuszczonych w wodzie do łczenia si w wiksze aglomeraty. W praktyce jest to złoony proces obejmujcy wiele typów reakcji chemicznych i fizycznych, które układaj si w trzy zasadnicze, nastpujce po sobie etapy: hydroliz koagulanta, destabilizacj układu oraz wzajemne zderzenia czstek prowadzce do ich aglomeracji. Dwa pierwsze zachodz ju w momencie dozowania koagulanta do wody i w trakcie procesu szybkiego mieszania. Trzeci rozciga si w czasie na etap flokulacji uzdatnianej wody. Zwikszenie ciaru pojedynczych czstek poprzez ich łczenie polepsza warunki sedymentacji, a co za tym idzie usuwania z oczyszczanego układu. Jest to niezbdny komponent procesu uzdatniania w wyniku którego usuwamy z wody zawarte w niej zanieczyszczenia nieorganiczne, ale take wirusy, bakterie i organizmy patogenne. Innym bardzo wanym powodem stosowania koagulacji jest usuwanie naturalnej materii organicznej w celu ograniczenia tworzenia si ubocznych produktów dezynfekcji wody na dalszych etapach jej uzdatniania. Jednake próba usunicia zawartych w wodzie zanieczyszcze pierwotnych, moe i zwykle powoduje wprowadzenie do orodka zanieczyszcze wtórnych, które w niektórych sytuacjach mog stanowi wiksze zagroenie ni pierwotnie 39
usuwane substancje. Dla procesu koagulacji, prowadzonego przy wykorzystaniu preparatów glinowych, typowym zanieczyszczeniem jest wprowadzany wraz z koagulantem glin, pozostajcy w układzie jako wynik hydrolizy dozowanych substancji. Jego zawarto w wodzie po procesie koagulacji moe znacznie przekracza dopuszczalne normy. W zwizku z tym konieczne jest jego usuwanie w dalszych etapach technologicznych. Charakterystyka stacji uzdatniania wody powierzchniowej Straszyn Ujcie Wody Straszyn rozpoczło prac 3.VII.1986 r. Woda ujmowana jest z powstałego do celów energetycznych, sztucznego zbiornika Straszyn na rzece Raduni. Woda pobierana jest z jeziora za pomoc dwóch rurocigów i wprowadzana do komór rozdziału a nastpnie poprzez sita obrotowe przepływa do komór, które wykorzystywane s jako komory wstpnego napowietrzania w okresach deficytów tlenowych oraz komory kontaktowe w okresie dozowania nadmanganianu potasu wspomagajcego usuwanie manganu z wody surowej. Dalej woda pompowana jest pompami I stopnia do komory ozonowania wstpnego, po czym przepływa do bloku koagulacji, gdzie kierowana jest na mieszacze szybkie przed którymi dozowany jest koagulant. Kolejno poprzez dwupoziomowe komory flokulacji wpływa do osadników poziomych. Po tym etapie uzdatniania woda filtrowana jest na filtrach wirowych, po których kierowana jest do pompowni poredniej i przepompowywana do komory ozonowania poredniego. Kolejnym etapem jest filtracja na filtrach sorpcyjnych z wglem aktywnym, po których wpływa do zbiornika wody czystej. Na wlocie do zbiornika, do wody dozowane jest wapno hydratyzowane oraz jako dezynfektant dwutlenek chloru i chlor gazowy. Przed przepompowaniem wody do sieci miejskiej dozowany jest do niej inhibitor korozji. Koagulanty stosowane na SUW Straszyn Efektywno procesu koagulacji zaley od wielu zmiennych. Wpływa na ni szereg czynników wewntrznych jak i zewntrznych, wród których wymieni naley: Rodzaj i charakter wody i zawartych w niej układów koloidalnych Wielko czstek rozproszonych ich stenie oraz ładunek elektryczny Temperatur Rodzaj i dawk zastosowanego koagulanta; Odczyn i zasadowo; Skład chemiczny Parametry procesowe mieszania, flokulacji i sedymentacji 4
W zalenoci od kombinacji wartoci tych czynników moemy uzyska wod o bardzo rónych parametrach jakociowych po zakoczeniu procesu. Saur Neptun Gdask SA prowadzi cigłe poszukiwania nowych efektywniejszych koagulantów stosowanych do uzdatniania wody. Podyktowane jest to wzgldami technicznymi, technologicznymi i ekonomicznymi. Poszukujemy optymalnych rozwiza zmierzajcych do maksymalizacji efektów procesu uzdatniania przy zachowaniu akceptowalnego poziomu kosztów procesu. Równolegle prowadzimy cigłe poszukiwania, majce na celu eliminacj towarzyszcych procesom koagulacji niekorzystnych zmian parametrów wody uzdatnionej, takich jak wprowadzane zanieczyszczenia wtórne czy wzrost korozyjnoci. Od pocztku istnienia ujcia wody i stacji uzdatniania Straszyn prowadzona jest tu koagulacja preparatami opartymi na jonach glinu. Pierwotnie zastosowany został siarczan glinu, ale kłopotliwa technologia przygotowania, stawiajce wysokie wymagania bezpieczestwa pracy przepisy BHP a przede wszystkim pojawienie si na rynku eliminujcych wspomniane problemy koagulantów płynnych, spowodowały, e w roku 1997 po gruntownej modernizacji linii technologicznej siarczan glinu zastpiono koagulantem PAX 16. W roku 22 na podstawie prowadzonych wczeniej poszukiwa koagulanta o wikszej zasadowoci a co za tym idzie mniejszym wpływie na wzrost agresywnoci korozyjnej wody, wprowadzony został po testach w skali technicznej, PAX XL 61. Natomiast w roku 28 po serii prób laboratoryjnych i na wydzielonym cigu technologicznym do uzdatniania wody wprowadzony został koagulant PAX XL 19 F. Testy laboratoryjne Droga do aktualnej technologii koagulacji, a wic wprowadzanie kadego nowego koagulanta zawsze poprzedzone było gruntownymi analizami i badaniami jego działania, poczwszy od przeprowadzenia testów laboratoryjnych poprzez próby na czci cigu technologicznego wydzielonej specjalnie do tego celu. Wstpne badania laboratoryjne, prowadzone s zgodnie z zasadami testu naczyniowego na flokulatorze przy parametrach ustalonych i odnoszonych zawsze do aktualnie stosowanego koagulanta. Próby prowadzone s zgodnie ze stałym powtarzalnym schematem, pozwalajcym przy uwzgldnieniu zmieniajcej si jakoci wody, na porównywanie wyników z rónych okresów. 41
Podstawowe parametry prowadzonych prób przedstawiaj si nastpujco: czas mieszania szybkiego - 1 min czas flokulacji - 1 min czas sedymentacji - 3 min Pojedyncza próba obejmuje zwykle badanie 3-4 dawek koagulanta testowanego i 2-3 dawki koagulanta aktualnie stosowanego. Miar efektywnoci procesów s parametry okrelane dla wody po sedymentacji oraz po filtracji laboratoryjnej, takie jak: utlenialno, barwa, odczyn, mtno oraz stenie kationu glinowego. W trakcie wieloletnich poszukiwa przetestowano szereg koagulantów rónych producentów, wród których znalazły si produkty o nazwach handlowych takich jak: PIX, PAX, PAC, siarczan glinu i inne koagulanty glinowe oraz szereg flokulantów. Wykresy poniej s graficznym przedstawieniem wybranych wyników bada laboratoryjnych z prób prowadzonych nad koagulantami. Na wykresach przedstawiono jako wody po sedymentacji. Utlenialno po sedymentacji mg/dm3 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 6 g/m3 7 g/m3 8 g/m3 9 g/m3 1 g/m3 11 g/m3 siarczan PAX Rys. 1 Badania w ramach poszukiwania koagulanta alternatywnego dla siarczanu glinowego utlenialno w odpływie po sedymentacji 42
Zawarto glinu po sedymentacji mg/dm3,9,8,7,6,5,4,3,2,1 6 g/m3 7 g/m3 8 g/m3 9 g/m3 1 g/m3 11 g/m3 siarczan PAX Rys. 2 Badania w ramach poszukiwania koagulanta alternatywnego dla siarczanu glinowego aluminium w odpływie po sedymentacji Utlenialno mg O2/dm3 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 Woda surowa PAX XL-19F 3 g/m3 PAX XL-19F 4 g/m3 PAX XL-19F 5 g/m3 PAX XL-19F 6 g/m3 PAX XL-61 6 g/m3 PAX XL-61 8 g/m3 PAX XL-61 1 g/m3 Rys. 3 Badania efektywnoci działania koagulanta PAX XL 19 F utlenialno po sedymentacji Testy w skali technicznej Problemy zwizane z wprowadzeniem zmian w technologii koagulacji wody mog zosta w znacznym stopniu rozpoznane i zredukowane poprzez prowadzenie wczeniej opisanych wstpnych testów w skali laboratoryjnej. Jednake zastosowanie nowego rodka z cał pewnoci powinno zosta poprzedzone równie testami na stacjach pilotowych lub w ograniczonej skali technicznej. W tym ostatnim wypadku mona osign wyniki tosame z zastosowaniem na pełn skal bez niebezpieczestwa koniecznoci przerw w pracy stacji uzdatniania 43
i dostawie wody. Mona równie oceni szereg aspektów trudnych do obserwacji w skali laboratoryjnej lub pilotowej. Stacja uzdatniania Straszyn posiada przystosowany włanie do celów bada technologicznych na bloku koagulacji, specjalnie wydzielony cig technologiczny obejmujcy mieszacz szybki, komor flokulacji oraz osadnik. Rys. 4 Schemat cigu technologicznego koagulacji Dodatkowo istnieje moliwo skierowania wody odpływajcej z osadnika testowego oraz jednego z pozostałych na osobne kolumny pilotowe wypełnione złoem filtracyjnym. Umoliwi to oddzielne badanie efektów filtracji w zalenoci od zastosowanego koagulanta. Koagulanty stosowane na stacji uzdatniania Straszyn Wspomniane wczeniej problemy techniczne, bezpieczestwa pracy ale i logistyczne jak równie denie do optymalizacji procesu w zakresie technologicznym i technicznym, doprowadziły w roku 1997 do gruntownej zmiany technologii koagulacji. Po przeprowadzeniu modernizacji linii technologicznej nastpiła zmiana koagulanta z sypkiego, roztwarzanego na miejscu siarczanu glinu na płynny PAX. Pierwsze próby prowadzone były na szeregu koagu- 44
lantach typu PAX, PIX oraz WAC, jednake w ich wyniku do zastosowania na cigu technologicznym zakwalifikowano PAX 16 (zas. 37%, Al 3+ 8,2%, ph 1,), który został koagulantem stosowanym na cigu technologicznym stacji uzdatniania Straszyn. Z powodu znacznej zawartoci agresywnego dwutlenku wgla powstajcego w procesie koagulacji, a co za tym idzie wzrostu korozyjnoci wody podawanej do sieci prowadzone były poszukiwania koagulanta, który przy jakoci wody równowanej zastosowaniu PAX-16, umoliwił by obnienie jej agresywnoci. I tak w trakcie prowadzenia w latach 1998 23, szeregu bada w skali laboratoryjnej w roku 22 do przeprowadzenia testów w skali technicznej na wydzielonym cigu technologicznym ujcia wody, zakwalifikowany został koagulant PAX XL-61 (zas. 7%, Al 3+ 5,4%, ph 3). W padzierniku 22 r. przeprowadzone zostały badania zastosowania koagulanta PAX XL-61 w pełnej skali technicznej. Celem ich była optymalizacja dawki koagulanta w zakresie efektywnoci koagulacji i obnienia korozyjnoci wody w połczeniu z maksymalizacj efektu technologicznego. Wyniki testu wykazały dobr, porównywaln z PAX 16 efektywno koagulacji redukcj utlenialnoci w połczeniu z ograniczeniem spadku odczynu wody. Indeks Langeliera 21.7 21.8 21.9 21.1 21.11 21.12 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8 22.9 22.1 22.11 22.12 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 23.8 23.9 23.1 23.11 23.12 24.1 24.2 24.3 24.4,5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 -,4 -,5 -,6 -,7 -,8 -,9-1 -1,1-1,2-1,3-1,4 Rys. 5 Korozyjno wody podawanej do sieci w latach 21-24 Koagulant ten w stosunku do dotychczas stosowanego PAX 16 zawiera mniejsz ilo glinu przy zwikszonej zasadowoci, posiada take dodatek zwizków krzemu. Na podstawie przeprowadzonych bada ze wzgldu na znaczco lepsze parametry uzdatniania w zakresie obni- enia korozyjnoci wody oraz poziomu glinu resztkowego w listopadzie roku 23 zdecydo- 45
wano o zastosowaniu PAX XL 61 jako podstawowego koagulanta w prowadzonym procesie uzdatniania.,4 Aluminium w odpływie mg/dm3 mmmm,35,3,25,2,15,1,5 po sedymentacji po filtracji 1-1-23 7-1-23 13-1-23 17-1-23 24-1-23 3-1-23 5-11-23 12-11-23 18-11-23 24-11-23 1-12-23 5-12-23 11-12-23 17-12-23 23-12-23 29-12-23 po sedymentacji Rys. 6 Zawarto glinu w odpływie z osadników i w wodzie podawanej do sieci 23 W latach 24 26 prowadzono dalsze poszukiwania moliwoci zmiany typu koagulanta. Na tym etapie podstawowym optymalizowanym parametrem technologicznym było obnienie zawartoci glinu resztkowego w odpływie z osadników oraz zwikszenie redukcji utlenialno- ci i ogólnego wgla organicznego. W wyniku poszukiwa koagulanta, który pozwoliłby na uzyskanie takich efektów w roku 26 na podstawie testów laboratoryjnych wytypowane został koagulanty wstpnie zhydrolizowane w tym PAX XL-19 F (zas. 9%, Al 3+ 8,4%, ph 4), które zakwalifikowane zostały do przeprowadzenia testów w skali technicznej na wydzielonym cigu technologicznym. Wyznaczone do testów koagulanty charakteryzuj si du zawartoci łacuchów złoonych z dwóch i wicej monomerów glinu, co w istotny sposób wpływa na efektywno tworzenia i sedymentacji kłaczków osadu. Dodatkowymi ich zaletami s właciwoci pozwalajce im funkcjonowa efektywnie w szerokim zakresie odczynu i temperatury wody surowej. Jak wynika z analizy danych uzyskanych w trakcie bada technologicznych zastosowanie tych koagulantów pozwoliło na obnienie poziomu glinu oznaczanego po sedymentacji praktycznie do progu oznaczalnoci. Zgodnie z załoeniami równie dawki stosowanych koagulantów s od 2 do 4 razy nisze ni przy wczeniejszych koagulantach stosowanych na stacji uzdatniania Straszyn. 46
Zawarto glinu rednia z osadników,25,2 mg/dm3,15,1,5 1 3 5 7 Flokor 1,2 A 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 PAX - XL 61 Rys. 7 Zawarto aluminium w odpływie z osadników w trakcie bada porównawczych W zwizku powyszym podjto decyzj o zmianie stosowanego koagulanta od pocztku roku 28 na PAX XL 19 F. W pierwszych miesicach roku przeprowadzono dodatkowe badania porównawcze tego koagulanta w zestawieniu z dotychczasowym PAX XL 61. Jak przedstawiaj wykresy poniej uzyskano zamierzony efekt zmiany, w wyrany sposób poprawiajc redukcj glinu po procesie sedymentacji oraz obniajc ilo powstałego po procesie agresywnego CO 2, osigajc równie zwikszon 5-1% redukcj wgla organicznego, a take utrzymujc odczyn wody na poziomie nie powodujcym zwikszonej agresywnoci korozyjnej wody podawanej do sieci. Zawarto glinu w odpływie,3,25,2 mg/dm3,15,1,5 28-1-21 28-1-23 28-1-25 28-1-27 28-1-29 28-1-31 28-2-2 28-2-4 28-2-6 28-2-8 28-2-1 Uzdatniona Filtr wirowy PAX XL 61 Filtr wirowy PAX XL 19 F Osadnik nr 1 - PAX XL 19 F Osadnik nr 5 - PAX XL 19 F Osadnik nr 6 - PAX XL 61 28-2-12 28-2-14 28-2-16 28-2-18 28-2-2 28-2-22 28-2-24 28-2-26 28-2-28 Osadnik nr 6 - PAX XL 61 Osadnik nr 5 - PAX XL 19 F Osadnik nr 1 - PAX XL 19 F Filtr wirowy PAX XL 19 F Filtr wirowy PAX XL 61 Uzdatniona Rys. 8 Poziom aluminium w odpływie z osadników oraz do sieci w trakcie bada 47
Aluminium na cigu technologicznym,3 PAX XL 61,25 próby technologiczne PAX XL 19 F i PAX XL 61,2 PAX XL 19 F mg / dm 3,15,1,5 2-1-28 7-1-28 1-1-28 15-1-28 18-1-28 23-1-28 28-1-28 31-1-28 5-2-28 8-2-28 13-2-28 18-2-28 21-2-28 26-2-28 29-2-28 5-3-28 1-3-28 13-3-28 18-3-28 po sedymentacji po f. wirowych po f. wglowych pompownia II Rys. 9 Zawarto aluminium po poszczególnych etapach uzdatniania w trakcie zmiany koagulanta Ciekawym wymiarem zmian jakociowych zachodzcych w poszczególnych typach stosowanych koagulantów jest dawka aluminium odniesiona do 1m 3 uzdatnianej wody. Pomimo rónych koncentracji jonów tego pierwiastka w kolejnych stosowanych typach koagulantów, po uwzgldnieniu optymalnej dawki dla danej jakoci wody wyranie wida, e ilo aluminium dodawana do wody stale maleje. Ma to w efekcie wpływ zarówno na kocowe koszty jak i na efekty procesu. Typ koagulanta + Zawarto Al 3 Dawka równowana Dawka aluminium PAX 16 8,2 % 8 g/m 3 6,6 g/m 3 PAX XL 61 5,4 % 1 g/m 3 5,4 g/m 3 PAX XL 19 F 8,4 % 5 g/m 3 4,2 g/m 3 Przy czym wzrost koncentracji aluminium w produkcie wie si ze wzrostem jego ceny. Tak wic w doborze kocowym, koagulant o najwyszej zawartoci aluminium jest zwykle znacznie droszy od tych z mniejsz jego zawartoci. A przy doborze typu rodka do uzdatniania wody oprócz czynników jakociowych i technologicznych naley równie uwzgldni czynniki ekonomiczne. 48
Podsumowanie Proces koagulacji pociga za sob szereg efektów, których wpływ na kocowy produkt musi by cile monitorowany. W wyniku zastosowania rónych koagulantów mona w znaczcym stopniu wpływa na wynik procesu tak aby dostosowa go do jakoci surowca. Zastpienie w pierwszej fazie modernizacji koagulacji, siarczanu glinu płynnym polichlorkiem glinu PAX 16 pozwoliło na uzyskanie szeregu korzyci wród których najistotniejsze to: poprawa stanu bezpieczestwa pracy na obiekcie, usprawnienie i ułatwienie w precyzyjnym prowadzeniu dozowania koagulanta, polepszenie jakoci wody po sedymentacji w szczególnoci pod wzgldem jej własnoci korozyjnych i zawartoci glinu resztkowego. Zmiana typu koagulanta z PAX 16 na PAX 61 pozwoliła na dalsze znaczne obnienie korozyjnoci wody uzdatnionej oraz zmniejszenie zawartoci glinu w odpływie z osadników. Zastosowanie od 28 roku wstpnie zhydrolizowanego koagulanta o wysokim stopniu polimeryzacji PAX XL 19 F pozwoliło na obnienia zawartoci glinu resztkowego do poziomu, który nie powoduje zagroenia przedostawania si go do wody uzdatnionej. Dodatkowym atutem koagulantów o znacznej zawartoci polimerów aluminium jest moliwo znacznego obnienia stosowanych dawek, co obnia koszty transportu oraz pozwala na zgromadzenie zapasu koagulanta na dłuszy okres nawet w sytuacji koniecznoci dozowania duych dawek. Szeroki zakres odczynu wody oraz jej temperatury w których działanie koagulantów jest praktycznie takie samo pozwala na wiksz swobod działania i reakcji na zmiany jakoci surowca. Literatura 1. Sprawozdania i raporty z wyników testów nad koagulantami na UW Straszyn. Dokumentacja technologiczna UW Straszyn 2. Rozporzdzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 27 roku w sprawie jakoci wody przeznaczonej do spoycia przez ludzi (Dz.U. Nr 61, poz. 417). 3. A.L. Kowal, Oczyszczanie wody, J. Nawrocki, S. Biłozor, Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne i biologiczne 4. Water Quality & Treatment, AWWA Water Treatment, Principles and Practices of Water Supply Operations, AWWA 49