UZDATNIANIE WODY PODZIEMNEJ DO CELÓW KOTŁOWYCH Z ZASTOSOWANIEM ODWRÓCONEJ OSMOZY

UZDATNIANIE WODY PODZIEMNEJ DO CELÓW KOTŁOWYCH Z ZASTOSOWANIEM ODWRÓCONEJ OSMOZY Grażyna Totczyk, Ryszard Okoński, Leonard Boszke* 1 Streszczenie. Woda wykorzystywana do celów kotłowych musi spełniać wyostrzone kryteria jakościowe, które określają producenci. Głównymi czynnikami decydującymi o jakości wody zasilającej są parametry pracy kotła, jego konstrukcja, warunki eksploatacji i obciążenie powierzchni wymiany ciepła. Obecnie coraz częściej stosowane są metody uzdatniania wody z użyciem modułów odwróconej osmozy, które gwarantują wysoki stopień demineralizacji wody. W artykule przedstawiono wyniki badań uzdatniania wody podziemnej do celów kotłowych z zastosowaniem procesu odwróconej osmozy. Słowa kluczowe: odwrócona osmoza, uzdatnianie wody, woda kotłowa WPROWADZENIE Wody naturalne, a także wodociągowe nie nadają się do celów kotłowych bez wcześniejszego przygotowania, gdyż muszą spełniać specjalne wymagania, związane z konstrukcją kotłów, ich eksploatacją, obciążeniem cieplnym czy jakością materiałów, z których zostały wykonane. Z tego względu nie jest możliwe określenie jednoznacznych wymagań dla wody kotłowej. Musi ona spełniać przede wszystkim wymogi producenta kotłów, a wymagania podane w obowiązujących przepisach [5, 8] mają jedynie charakter zaleceń. Zawsze jednak woda kotłowa musi być tak uzdatniona, aby nie powodowała wytrącania się osadów (typu kamienia kotłowego lub szlamu), nie była korozyjna w stosunku do urządzeń kotłowych i nie pieniła się [2, 4]. W celu odpowiedniego przygotowania wody zasilającej kotły oprócz metod konwencjonalnych coraz częściej stosuje się metodę odwróconej osmozy [1, 9]. Jest to proces rozdziału cząsteczek wody od rozpuszczonych w niej substancji, który zachodzi dzięki selektywnej membranie przepuszczalnej tylko dla cząsteczek rozpuszczalnika. Współpraca modułów odwróconej osmozy z filtrami węglowymi oraz mechanicznymi daje bardzo wysokie efekty oczyszczania wody, która pozbawiona zostaje substancji koloidalnych, jonowych, bakterii i wirusów. * dr inż. Grażyna TOTCZYK, mgr inż. Ryszard OKOŃSKI, dr hab. Leonard BOSZKE, prof. nadzw. UTP, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska UTP, e-mail: grato@mail.utp.edu.pl

230 Inżynieria i ochrona środowiska EFEKTYWNOŚĆ TECHNOLOGICZNA PROCESU ODWRÓCONEJ OSMOZY Na efektywność działania modułów odwróconej osmozy ma wpływ jakość zasilającej wody, dlatego wymaga ona wstępnego uzdatnienia. W przypadku wody wodociągowej konieczne jest usunięcie cząstek stałych, twardości wody oraz chloru. Gdy zasilanie modułów odbywa się wodą z ujęć podziemnych, zachodzi konieczność dodatkowego usunięcia żelaza i manganu. Niedostateczne oczyszczenie wody przed wprowadzeniem jej na moduły odwróconej osmozy powoduje skrócenie czasu funkcjonowania membran, spadek wydajności oraz pogorszenie jakości uzyskiwanej wody zdemineralizowanej. W praktyce do określania zdolności wody do zanieczyszczenia membrany powszechnie stosowany jest indeks koloidalny SDI (ang. Silt Density Index). Oznacza się go doświadczalnie, mierząc obniżenie się strumienia filtratu w określonym czasie, pod stałym ciśnieniem i przy zastosowaniu membran o wielkości porów 0,1-1,0 µm [1, 4]. Indeks SDI przyjmuje wartości z przedziału 0 6,67. Gdy SDI <3, to woda jest mało zanieczyszczona, a gdy SDI >5, to woda jest zanieczyszczona w stopniu wysokim i ma duży potencjał zanieczyszczania membran [4]. Membrany powinny być czyszczone, gdy stwierdzi się [2]: wzrost zasolenia filtratu o ponad 15% i wzrost ciśnienia o ponad 20%, spadek wydajności hydraulicznej o więcej niż 5%, obecność osadów na membranach. Wskaźnikami określającymi efektywność przebiegu procesu odwróconej osmozy są [4, 6]: stopień zatrzymania (R), który określa stopień eliminacji substancji rozpuszczonej z roztworu zasilającego, obliczany z zależności: R = (c 1 -c 2 ) / c 1 gdzie: c 1 stężenie substancji rozpuszczonej w roztworze zasilającym [g/m 3 ], c 2 stężenie substancji rozpuszczonej w filtracie [g/m 3 ], zwiększenie stężenia substancji rozpuszczonej w roztworze zasilającym zmniejsza selektywność membrany (wartość R maleje); stopień odzysku (Y), określany wzorem: Y = Q p / Q f 100%, gdzie: Q p natężenie przepływu filtratu [m 3 /s], Q f natężenie przepływu roztworu zasilającego [m 3 /s], zwiększenie stopnia odzysku powoduje wzrost stężenia substancji rozpuszczonej w roztworze zasilającym, w konsekwencji zmniejsza się szybkość filtracji i stopień rozdziału.

OPIS OBIEKTU Grażyna Totczyk, Ryszard Okoński, Leonard Boszke Uzdatniane wody podziemnej do celów kotłowych... 231 Badaniem objęta została stacja uzdatniania wody (SUW) pracująca na potrzeby Centrum Onkologii w Bydgoszczy, świadczącego usługi lecznictwa otwartego i zamkniętego. W SUW wyodrębnione są dwa stopnie układu technologicznego. W układzie pierwszego stopnia (I ) uzdatniana jest woda na potrzeby wodociągowe obiektu, a układ stopnia drugiego (II ) to dalsze uzdatnianie wody do celów kotłowych. W kotłowni eksploatowane są cztery kotły firmy Viessmann: dwa kotły parowe wysokotemperaturowe o mocy Q = 4 MW i Q = 11570 kw, których maks. ciśnienie robocze wynosi 16 bar, a maks. temperatura pracy kotłów wynosi 150 C, dwa kotły wodne wysokotemperaturowe o mocy 7 MW, o maks. ciśnieniu roboczym 10 bar i maks. temperaturze pracy kotłów 150 C. Kotłownia zaspokaja potrzeby centralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej i wody technologicznej dla szpitala (sterylizacja, dezynfekcja, kuchnia, pralnia). Obiekt zasilany jest w wodę podziemną czerpaną za pomocą studni wierconej o głębokości 209 m. Posiada także dwa ujęcia z miejskiej sieci wodociągowej, które pełnią rolę ujęć awaryjnych. Układ technologiczny I, na który podawana jest woda surowa, jest przedstawiony na rysunku 1. woda surowa raw water komora koagulacji coagulation chamber o filtr I (odżelaziacz) filter I o (water deferrization) filtr II o (odmanganiacz) filter II o (water demanganization) zbiornik retencyjny retention tank woda wodociągowa tap water na 2 stopień uzdatniania nd 2 degree treatment do sieci wodociagowej tap-water network Rys. 1. Układ technologiczny uzdatniania wody na potrzeby wodociągowe (opracowanie własne) Fig. 1. Technological water treatment system for tap-water purposes (own scientific description) Woda pompowana ze studni głębinowej trafia do komory koagulacji, gdzie za pomocą automatycznego systemu dozowania dawkowany jest koagulant. Powoduje on wytwarzanie się kłaczkowatej, gąbczastej zawiesiny, na której adsorbowane są zanieczyszczenia koloidalne. Następnie woda przepływa na dwa filtry ciśnieniowe, połączone szeregowo, do których doprowadzane jest również sprężone powietrze. Pierwszy filtr pełni rolę odżelaziacza, a drugi wy-

232 Inżynieria i ochrona środowiska pełniony masą katalityczną braunsztynem pracuje jako odmanganiacz. Na filtrach usuwane są związki żelaza, manganu i pozostałe zawiesiny pokoagulacyjne. Następnie podczas przepływu do zbiorników retencyjnych woda poddawana jest procesowi chlorowania podchlorynem sodu (NaOCl) w celu dezynfekcji i zapobiegawczo, aby nie dopuścić do rozwoju bakterii w zbiornikach. Ze zbiorników retencyjnych część wody kierowana jest do Centrum Medycznego jako woda wodociągowa, a część na drugi układ technologiczny do dalszego uzdatniania. Układ uzdatniania II (rys. 2) ma za zadanie dostarczenie wody do celów kotłowych. zespół filtrów wstępnego oczyszczania 50 µm 5 µm złoże jonitowe filtr 5 µm woda wodociągowa tap water preliminary puryfikation filters 50 µm and 5 µm ion exchange resins deposit filter 5 µm filtr z węglem aktywnym filtr1 µm odwrócona osmoza zbiornik wody do kotłowni boiler room filter with active carbon filter 1µm reverse osmosis water tank Rys. 2. Układ technologiczny uzdatniania wody do celów kotłowych (opracowanie własne) Fig. 2. Technological water treatment system for boiler-room purposes (own scientific description) Ze zbiorników retencyjnych woda przepływa przez układ szeregowo pracujących dwóch filtrów wstępnego oczyszczania 50 µm i 5 µm. Kolejnym procesem uzdatniania jest zmiękczanie wody, czyli usuwanie z niej przede wszystkim węglanów oraz siarczanów wapnia i magnezu, powodujących tzw. twardość wody. Proces ten przebiega na równolegle połączonych jonitach. Zastosowano jonity kationowymienne kwaśne pracujące w cyklu wodorowym i sodowym. Ostatecznym rezultatem jest dekarbonizacja, zmiękczenie i w znacznym stopniu odsolenie wody. Po jonitach woda trafia na kolejny filtr przeciw-

Grażyna Totczyk, Ryszard Okoński, Leonard Boszke Uzdatniane wody podziemnej do celów kotłowych... 233 koloidowy 5 µm, a następnie na filtry z węglem aktywnym, gdzie usuwany jest przede wszystkim chlor pozostały po dezynfekcji wody wodociągowej, niektóre metale ciężkie i związki organiczne. Na drodze dalszego przepływu wody, przed modułami odwróconej osmozy znajduje się filtr przeciwkoloidowy 1 µm. Podczas procesu odwróconej osmozy następuje demineralizacja wody. Tak uzdatniona woda kierowana jest do kotłowni parowej i wodnej. W celu ochrony membran odwróconej osmozy przed osadzaniem się kamienia kotłowego i zatykaniem por w membranach do wody dawkowane są odpowiednie chemikalia antyskalanty. Ostatnim etapem przygotowania wody zasilającej kotły jest korekta chemiczna. Ma ona na celu nadanie wodzie właściwości antyosadowych i antykorozyjnych oraz stabilizację odczynu. METODY BADAŃ Analiza efektywności procesu uzdatniania wody do celów kotłowych przeprowadzona została na podstawie wyników badań analitycznych, które wykonywane są okresowo w zakładowym laboratorium. Badaniem objęte są wody surowe i uzdatnione w kolejnych procesach jednostkowych układu technologicznego. W układzie I badana jest woda surowa pobierana ze studni, po procesie koagulacji, filtracji I i II stopnia, i ze zbiorników retencyjnych, czyli woda dystrybuowana wewnątrzzakładową siecią wodociągową. Kontrola analityczna próbek wody obejmuje oznaczenie barwy, mętności, odczynu, zasadowości ogólnej, tlenu, CO 2, żelaza ogólnego, N-NH 4, N-NO 2, N-NO 3, azotu ogólnego, manganu, chlorków, siarczanów i utlenialności. W układzie II badana jest woda po procesie zmiękczania, demineralizacji metodą odwróconej osmozy i na zasilaniu kotłów. W próbkach tych przeprowadza się oznaczenia twardości ogólnej, zasadowości, odczynu, żelaza ogólnego i przewodnictwa elektrolitycznego. Wszystkie oznaczenia wykonywane są zgodnie z obowiązującą w Polsce metodyką badań. WYNIKI I DYSKUSJA Układ technologiczny I Ujmowana woda podziemna o odczynie 7,6 ph charakteryzuje się podwyższoną barwą (25 mgpt/l), mętnością (2,7 NTU), zawartością żelaza występującego w stężeniu 2,02 mg/l i jonu amonowego w stężeniu 0,78 mg/l. Pozostałe wskaźniki jakości wody surowej kształtują się na poziomie lub poniżej wartości dopuszczalnych dla wody przeznaczonej na cele pitne [7].

234 Inżynieria i ochrona środowiska Przedstawione w tabeli 1 wyniki badań świadczą o tym, że w trakcie uzdatniania wody w kolejnych procesach technologicznych następuje stopniowe usuwanie niepożądanych substancji aż do uzyskania wody odpowiadającej wymogom stawianym wodzie pitnej. Należy więc stwierdzić, że układ technologiczny I uzdatniania wody właściwie spełnia swoją rolę. Tabela 1. Wyniki badań wody uzdatnianej do celów wodociągowych [3] Table 1. Testing results for the water treated for tap-water purposes [3] Oznaczenie Jednostka Woda surowa Woda po procesie koagulacji Woda po fitracji I i II stopnia Woda w zbiorniku retencyjnym Wartość dopuszczalna dla wody pitnej [7] Barwa mg Pt/l 25 20 17 10 15 Mętność NTU 2,70 2,90 0,65 0,14 1,00 Odczyn ph 7,6 7,4 7,5 7,7 6,5 9,5 Zasadowość og. mval/l 5,7 5,8 5,7 n.o. n.o. N-NH 4 mg/l 0,78 0,37 0,27 <0,06 0,50 N-NO 2 mg/l n.w. n.w. n.w. n.w. 0,50 N-NO 3 mg/l 0,31 0,28 0,21 0,86 50,0 Azot ogólny mg/l 1,05 0,98 0,87 0,96 n.o. Żelazo og. mg/l 2,02 1,07 0,16 0,06 0,20 Mangan mg/l 0,12 0,80 0,05 n.w. 0,05 Chlorki mg/l 74,5 74,5 76,0 74,6 250,0 Siarczany mg/l <10 <10 <10 <10 250,0 Utlenialność mgo 2 /l 5,30 3,10 3,00 2,30 5,0 Tlen mg/l 1,70 1,10 5,40 9,00 n.o. CO 2 wolny mg/l 6,60 6,60 7,70 2,20 n.o. n.o. nie określono, n.w. nie wykryto Układ technologiczny II Układ technologiczny II zasilany jest wodą ze zbiorników retencyjnych, o jakości wody wodociągowej. W procesie zmiękczania wody na jonitach została ona pozbawiona związków powodujących twardość, a stężenie żelaza ogólnego obniżone zostało do wartości 0,04 mg/l (tab. 2). W wyniku dalszego uzdatniania wody metodą odwróconej osmozy zawartość żelaza ogólnego zmniejszyła się do 0,01 mg/l, wystąpiła szczątkowa twardość ogólna, a przewodnictwo elektrolityczne wynosiło 346 µs/cm. W ostatecznym efekcie uzdatniania otrzymano wodę, która spełnia wymagania określone przez producenta kotłów. Jednak woda je zasilająca charakteryzowała się zawartością żelaza na granicy dopuszczalności. Biorąc pod uwagę, że stężenie żelaza zarówno po złożach jonitowych, jak i po modułach RO było o połowę niższe i wynosiło 0,01 mg/l, można przypuszczać, że jego związki kumulują się w zbiorniku wody do zasilania kotłów (rys. 2). W takim przypadku należałoby wyłączyć zbiornik z eksploatacji i przeprowadzić jego płukanie.

Grażyna Totczyk, Ryszard Okoński, Leonard Boszke Uzdatniane wody podziemnej do celów kotłowych... 235 Tabela 2. Wyniki badań wody uzdatnianej na potrzeby kotłowni [3] Table 2. Testing results for the water treated for boiler-room purposes [3] Oznaczenie Jednostka Woda wodociągowa Woda po procesie zmiękczania na jonitach Woda po procesie demineralizacji na RO Woda zasilająca kotły Odczyn ph 7,68 n.o. 7,77 8,66 Zasadowość m mval/l 2,75 n.o. n.o. 1,20 Zasadowość p mval/l n.o. n.o. n.o. 0,15 Zelazo og. mg/l 0,06 0,01 0,01 0,02 Twardość og. mval/l 2,5 n.w. 0,018 n.w. Przewodnictwo elektrolityczne µs/cm n.o. n.o. 346 480 n.o. nie określono, n.w. nie wykryto Woda zasilająca kotły miała odpowiedni odczyn i znacznie niższe wartości zasadowości m wobec oranżu metylowego i p wobec fenoloftaleiny (odpowiednio 1,2 i 0,15 mval/l) od dopuszczalnych, nie wykazywała twardości. Przewodnictwo elektrolityczne wynoszące 480 µs/cm również mieściło się w zakresie dopuszczalnych wartości. Przeprowadzona analiza jakości wody zasilającej kotły pozwala stwierdzić, że układ technologiczny II funkcjonuje poprawnie. Zastosowane rozwiązanie hybrydowe, polegające na szeregowej współpracy złóż jonitowych i modułów odwróconej osmozy, charakteryzuje się wysoką efektywnością technologiczną. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników badań sformułowano następujące wnioski: 1. Odpowiedni dobór technologii i urządzeń do uzdatniania wody pozwala na wykorzystanie wody podziemnej do celów kotłowych. 2. Zastosowany dwustopniowy układ technologiczny uzdatniania zapewnia dostawę wody o odpowiedniej jakości do wewnątrzzakładowej sieci wodociągowej i na potrzeby kotłowni analizowanego obiektu. 3. Zastosowanie odwróconej osmozy w uzdatnianiu wody kotłowej umożliwia spełnienie wysokich wymagań jakościowych, jakie stawiane są wodzie stosowanej w energetyce. LITERATURA [1] Bodzek M., Konieczny K., 2005. Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody. Oficyna Wydawnicza Projprzem EKO Bydgoszcz. [2] Kowal A.L., Świderska-Bróż M., 1996. Oczyszczanie wody. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa-Wrocław.

236 Inżynieria i ochrona środowiska [3] Materiały źródłowe. [4] Nawrocki J., Biłozor S. i in. 2000. Uzdatnianie wody. Procey chemiczne i biologiczne. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa-Poznań. [5] PN-85/C-04601 Woda do celów energetycznych. Wymagania i badania jakości wody dla kotłów wodnych i zamkniętych obiegów ciepłowniczych. [6] Rautenbach R., 1996. Procesy membranowe. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa. [7] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi Dz.U. 2007 nr 61, poz.417, z późniejszymi zmianami.. [8] Stańda J., 1995. Woda dla kotłów parowych i obiegów chłodzących siłowni cieplnych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa. [9] Totczyk G., 2005. Uzdatnianie wody na cele energetyczne metodą odwróconej osmozy. XXV Międzynarodowe Sympozjum im. Bolesława Krzysztofika, AQUA, Politechnika Warszawska, Płock. UNDERGROUND WATER TREATMENT FOR BOILER PURPOSES APPLYING REVERSE OSMOSIS Abstract. The water applied for boiler-room purposes must meet the higher quality criteria determined by producers. The main factors determining the quality of supplying water are the boiler operation parameters, boiler design, conditions of use and the heat transfer surface load. At present the water treatment methods involving reverse osmosis modules, which guarantee a high degree of water demineralization, are applied more and more frequently. The paper presents the results of research into the underground water treatment for boiler-room purposes applying the process of reverse osmosis. Key words: reverse osmosis, water treatment, boiler water