Uzdatnianie wody

Tekst pochodzi z przygotowywanej do druku książki pt. "Naturalna technologia wody". Autorem książki jest Józef Wowk, właściciel POPE "Energoopt".

Dla zasadniczej większości wód czerpanych z ujęć głębinowych uzdatnianie ogranicza się do redukcji zawartości związków żelaza i manganu. Taki proces uzdatniania jest technicznie stosunkowo prosty. Odpowiednie procesy chemiczne przebiegają naturalnie pod wpływem napowietrzania wody. Wystarczy tylko stworzyć odpowiednie warunki dla przebiegu tych procesów. W stosowanym najczęściej dla wód z ujęć głębinowych procesie uzdatniania można wyróżnić trzy podstawowe fazy:

  • napowietrzanie
  • reakcja utleniania dwuwartościowych związków żelaza i manganu
  • filtracja

Stworzenie odpowiednich warunków dla właściwego przebiegu tych faz 
ma podstawowe znaczenie dla powodzenia procesu uzdatniania, stąd ważne są właściwe rozwiązania. Przedstawione w książce rozwiązania umożliwiają zapewnienie dobrej jakości uzdatniania i obniżają istotnie całkowity koszt funkcji uzdatniania.

2.1.Pompownia napowietrzająca

Zadaniem napowietrzania wody w procesie uzdatniania jest doprowadzenie tlenu do każdej cząsteczki rozpuszczonego w wodzie związku żelaza i manganu. Aby to nastąpiło powietrze musi zostać rozprowadzone w całym strumieniu, przepływającej przez urządzenia uzdatniające wody. Rozpuszczenie powietrza zależy od:

  • stopnia rozproszenia powietrza w wodzie,
  • wzrostu ciśnienia wody zmieszanej z powietrzem,
  • czasu kontaktu powietrza z wodą.

Dobre rozdrobnienie powietrza w wodzie i wzrost ciśnienia mieszaniny 
wodno-powietrznej występują w nowym rozwiązaniu napowietrzania przez pompownię napowietrzającą współpracującą z pompami głębinowymi ujęcia. Pompownia napowietrzająca składa się z jednej lub kilku pomp. Na rurociągu ssącym przed wlotem do każdej pompy zainstalowany jest dyfuzor powietrzny doprowadzający powietrze z atmosfery do strumienia napływającej do pompy wody. Dyfuzor połączony jest z atmosferą przez zawór zwrotny i iglicowy zawór regulacyjny pozwalający na ustalenie ilości powietrza zasysanego z atmosfery. Zadaniem dyfuzora jest rozproszenie powietrza w strumieniu napływającej do pompy wody. Jeżeli pompownia składa się z kilku pomp, kolektor ssący umieszczony jest nad pompami. Pomiędzy kolektorem a pompą zainstalowana jest przepustnica pozwalająca na odcięcie pompy oraz zawór zwrotny uniemożliwiający cofnięcie się wody i powietrza do kolektora ssącego, w przypadku postoju pompy. Rurociąg tłoczny każdej z pomp powinien być prowadzony najkrótszą drogą do zbiornika reakcji, aby uniknąć zarastania rurociągów związkami żelaza, które bezpośrednio po wytrąceniu wykazują dużą tendencję do osadzania się na ściankach rur. Podciśnienie przed pompą potrzebne do zassania powietrza z atmosfery uzyskuje się w wyniku utrzymania odpowiednich relacji pomiędzy wydajnością pomp głębinowych i pompowni napowietrzającej.

2.2.Zbiornik kontaktowy z zawieszonym osadem

Na proces utleniania dwuwartościowych związków żelaza potrzebny jest określony czas. Czas ten zależy od formy występujących związków i innych właściwości fizykochemicznych wody. W przypadku występowania w wodzie związków humusowych czas ten wydłuża się bardzo istotnie. Reakcję utleniania przyspiesza oddziaływanie katalityczne już wydzielonych z wody związków trójwartościowego żelaza, oraz bakterie żelaziste. Nowe rozwiązanie zbiornika kontaktowego z zawieszonym osadem umożliwia realizację kontaktu strumienia uzdatnianej wody z wydzielonymi uprzednio związkami żelaza. Polega ono na tym, że wpływający do zbiornika reakcji strumień wody napowietrzonej wzburza osad, a zawarte w wodzie pęcherzyki powietrza unoszą osad ku górze. Rola zbiornika kontaktowego jest tym większa im trudniejsza jest w uzdatnianiu woda. Rola zbiornika z zawieszonym osadem staje się decydująca w powodzeniu uzdatniania szczególnie wówczas, gdy w ujmowanej wodzie występują związki manganu w większej ilości, a stosowana jest filtracja jednostopniowa. W technologii uzdatniania wód łatwych, gdy przepływ przez zbiornik kontaktowy w ciągu kilku minut jest wystarczający, stosowane są zbiorniki stalowe, umieszczone w ciągu technologicznym w hali. Dla wód trudno uzdatnianych stosowane są zbiorniki żelbetonowe lokalizowane obok hali uzdatniania.

2.3.Filtracja

W technologii uzdatniania wody filtracja nie jest procesem fizycznym, lecz fizyko-biochemicznym, bowiem w przepływającej przez złoże wodzie zachodzą reakcje chemiczne, a w szczególności utlenianie związków manganu. Złoże aktywnie wpływa na przebieg tych reakcji.
W długiej już historii uzdatniania wody stwierdzono, że złoże filtracyjne sporządzone z naturalnego żwiru może uzyskać odpowiednie właściwości dla wspomagania procesów chemicznych w uzdatnianiu wody. Uzyskiwanie przez złoże filtracyjne własności chemicznych wspomagających procesy uzdatniania nazywamy wdrażaniem złoża. Proces wdrażania następuje samoczynnie. Skuteczne jednak wdrożenie złoża oraz utrzymanie tych własności występuje tylko wówczas, gdy zostały stworzone odpowiednie warunki eksploatacji złoża w filtrach. Podstawowym warunkiem prawidłowej eksploatacji filtrów jest odpowiedni przebieg płukania złoża filtracyjnego. Ma ono na celu:

  - usunięcia ze złoża nadmiernej ilości osadów powodujących wzrost 
oporu złoża podczas przepływu uzdatnianej wody,
  - zapewnienie utrzymania wdrożonej aktywności w całej objętości 
złoża czynnego.


Drugim warunkiem skutecznej eksploatacji złoża filtracyjnego jest zapewnienie określonego czasu przepływu filtrowanej wody przez złoże. Czas ten zależy nie tylko od średniej prędkości filtracji, ale również od rozkładu prędkości przepływu w całej objętości złoża. Aby rzeczywiste prędkości przepływu przez złoże odpowiadały prędkości średniej, cała objętość złoża czynnego w filtrze musi być utrzymana w sprawności fizycznej. Przez utrzymanie sprawności fizycznej złoża rozumiemy zapewnienie w płaszczyznach poziomych filtra jednakowego współczynnika filtracji. Sprawność chemiczna złoża polega na utrzymaniu jednakowych własności katalitycznych złoża w płaszczyznach poziomych filtra. Jak wynika z powyższego wdrożone złoże musi mieć strukturę warstwową, a proces płukania nie może zniszczyć tej struktury. Prezentowane w książce nowe rozwiązania umożliwiają utrzymanie złoża filtracyjnego w pełnej sprawności.

2.4.Drenaż w postaci sieci dysz

Aby podczas płukania nie zniszczyć struktury warstwowej złoża konieczne jest równomierne podawanie czynników płuczących pod całą powierzchnią złoża. W przypadku gdy zostanie zniszczona struktura warstwowa przez użycie powietrza do płukania, to w celu umożliwienia jej odbudowy konieczne jest równomierne rozłożenie podawanej do płukania wody. Równomierność ta musi być wymuszona. Czynnikiem wymuszającym nie może być opór na szczelinach dysz, gdyż ich przepustowość ulega zmianie w czasie eksploatacji filtra na skutek kolmatacji. Czynnikiem wymuszającym równomierny rozdział wody płuczącej może być jedynie przekrój przewodu doprowadzającego do dyszy. Szczeliny powinny być na tyle duże i tak ukształtowane, by ich opór nie rzutował nigdy na rozdział wody płuczącej. Takie warunki spełniają wielkogabarytowe dysze pierścieniowe. Dysze te są na tyle duże, że do każdej z nich opłaca się wykonać odpowiednio opracowane hydrauliczne przyłącze. Szczeliny w wielkogabarytowych dyszach są ukryte wewnątrz wnęk, dzięki czemu mogą być na tyle duże i tak ukształtowane, by nie ulegały zarastaniu osadami. Opracowane dysze pierścieniowe nadają się do wykonania drenażu dla każdego filtra.

2.5.Nowa generacja filtrów otwartych

Zastosowanie do filtrów otwartych nowych rozwiązań, takich jak:

  • drenażu w postaci sieci wielkogabarytowych dysz pierścieniowych,
  • podział filtra częściową przegrodą na dwie komory z niezależnym drenażem,
  • zastosowanie do odbioru wód popłucznych rynny przelewowej z osłonięta szczeliną przelewową, umieszczonej nad przegrodą,
  • zastosowanie pompy filtra o regulowanych obrotach do wymuszenia przepływu przez filtr,zrewolucjonizowało technologię filtrów otwartych.

W szczególności zastosowanie sieci dysz do wykonania drenażu umożliwiło budowę filtrów w postaci prostych zbiorników żelbetonowych. Zastosowanie pompy filtra o regulowanej wydajności:

  • zapewniło samoregulacyjną pracę filtru,
  • uniezależniło jego wysokościowe położenie od zbiornika wyrównawczego,
  • umożliwiło bezpośrednią współpracę z pompownią podającą wodę do sieci wodociągowej - pompownią II stopnia,
  • spowodowało, że filtr stał się jednostką niezależną - jego praca nie zależy od stanu pozostałych filtrów, w ten sposób eksploatacja dużych baterii filtrów otwartych nie stwarza trudności.

Podział filtra na dwie komory zmniejsza konieczną wydajność wody i powietrza do płukania filtra. Umieszczenie rynny przelewowej do odbioru wód popłucznych nad przegrodą i zastosowanie osłoniętej szczeliny przelewowej, umożliwia płukanie filtra jednocześnie wodą i powietrzem. Takie płukanie nie powoduje zniszczenia struktury warstwowej wdrożonego złoża. Zastosowanie wymienionych rozwiązań do filtrów otwartych spowodowało, że filtry otwarte opłaci się już stosować przy wydajności uzdatniania 60 m3/h, a przy konieczności dwustopniowej filtracji nawet przy 40 m3/h. Przy wydajności uzdatniania 100 m3/h koszt stacji uzdatniania jest o ok. 25 % mniejszy od rozwiązania z filtrami zamkniętymi. Przy wydajności 200 m3/h koszt zmniejsza się do 50 % i dalej maleje ze wzrostem wydajności stacji uzdatniania. Niski koszt kubatury zabudowy złoża umożliwia stosowanie małych obciążeń złoża, mierzonych w m3/h uzdatnianej wody na m3 złoża. Daje to możliwość dobrego uzdatniania wody.
Prosta obsługa i uniezależnienie jakości uzdatniania od regularnego wykonywania czynności obsługowych daje gwarancję trwałego utrzymania dobrej jakości uzdatniania.

2.6.Filtry zamknięte z przegrodą

W przypadku gdy wydajność ujęcia pokrywa maksymalne zapotrzebowanie wodociągu możliwa jest budowa stacji wodociągowej w systemie jednostopniowego pompowania. Małe stacje wodociągowe o maksymalnym zapotrzebowaniu godzinowym poniżej 30 m3/h są najczęściej budowane w takim systemie. W tego typu stacjach wodociągowych wyposażonych w tradycyjne filtry zamknięte istnieje problem z zapewnieniem odpowiedniej wydajności wody do płukania filtrów. Problem ten staje się zasadniczy, gdy ujmowana woda ma ponadnormatywną zawartość manganu. Wtedy do płukania filtrów nie można użyć wody surowej gdyż zawarte w niej żelazo niszczy wdrażającą się strukturę aktywną do redukcji manganu. Aby można było płukać filtry zamknięte wodą uzdatnioną, w układzie technologicznym w stacji wodociągowej działającej w jednostopniowym systemie pompowania, musi być co najmniej 5 filtrów. Wówczas woda filtrowana przez 4 filtry może wystarczyć do płukania jednego filtra.
Nowe rozwiązanie filtra zamkniętego polega na wprowadzeniu częściowej przegrody sięgającej do wysokości ok. 30 cm poniżej zasypu złoża, dzielącej dolną część filtra na dwie komory. Każda komora ma niezależny drenaż przyłączony do swojego króćca w dennicy. Górna część filtra jest wspólna dla obydwu komór. W takim filtrze każda komora może być płukana oddzielnie. Stąd do płukania filtra wystarcza wydajność wody o połowę mniejsza. Dzięki takiemu rozwiązaniu filtrów już w stacji uzdatniania wyposażonej w trzy filtry zamknięte z przegrodą można uzyskać wystarczającą ilość uzdatnionej wody do płukania filtrów. Dwa pracujące filtry mogą dostarczyć odpowiednią ilość wody do płukania połówki trzeciego filtra.
Zastosowanie filtrów z przegrodą umożliwia doprowadzenie do prawidłowego działania większości małych stacji wodociągowych pracujących w jednostopniowym systemie pompowania.
Typową stacją uzdatniania dla wodociągu pracującego w jednostopniowym systemie pompowania jest stacja wyposażona w trzy filtry z przegrodą. Taka stacja uzdatniania da się łatwo prefabrykować u producenta i może być dostarczona w komplecie, celem wbudowania do istniejącego pomieszczenia lub nowego budynku.
Obecnie produkowane są kompletne stacje uzdatniania do wbudowania w czterech wielkościach - o wydajności nominalnej: 15, 30 i 45 m3/h.

 

 

 

Pompy .::. Pompownie .::. Filtry otwarte i zamknięte .::. Studnie .::. Oszczędno¶ć energii