Charakterystyka metod napowietrzania ciśnieniowego wody podziemnej
Napowietrzanie jest procesem wykorzystywanym praktycznie na każdej Stacji Uzdatniania Wody podziemnej. Celem jego stosowania w układach technologicznych jest: wprowadzanie do wody tlenu oraz usunięcie rozpuszczonych w wodzie podziemnej gazów, głównie CO2 agresywnego oraz siarkowodoru (H2S), w zdecydowanie najmniejszym stopniu azotu amonowego, który dla pH wód naturalnych występuje praktycznie wyłączanie w postaci rozpuszczonego jonu NH4+, a nie gazu NH3 który można by odpędzić.
O efektywności wymienionych procesów decydują takie czynniki jak:
· powierzchnia wymiany gazowej – im wyższa tym wymiana gazowa zachodzi efektywniej,
· temperatura wody – im niższa tym trudniej usunąć i łatwiej wprowadzić gazy do wody,
· stężenie gazu w powietrzu w stosunku do jego stężenia w wodzie (ciśnienie parcjalne) – które decyduje o kierunku transportu gazu; przykładowo jeśli stężenie gazu w powietrzu (np siarkowodoru) nadmiernie wzrośnie, wówczas nie będzie on usuwany z wody i odwrotnie jeśli stężenie tlenu w powietrzu będzie zbyt niskie, wówczas nie będzie się on przedostawał do wody – zależność ta ma bezpośrednie przełożenie praktyczne.
Podstawowy podział procesów napowietrzania z technicznego punktu widzenia wyróżnia:
· napowietrzanie otwarte,
· napowietrzanie ciśnieniowe.
Zaś na wybór danego systemu wpływają:
· zasadowość wody i jej odczyn, pośrednio zawartość dwutlenku węgla agresywnego,
· zawartość siarkowodoru w wodzie
· w mniejszym stopniu zastosowany na SUW układ hydrauliczny (grawitacyjny bądź ciśnieniowy), choć ten element ma coraz mniejsze znaczenie.
Generalnie, zdecydowanie większą efektywność zarówno wymiany gazowej, jak i natlenienia wody uzyskuje się w wszelakich systemach napowietrzania otwartego, które zostaną dokładnie scharakteryzowane w kolejnym artykule z cyklu.
Przewagą systemów ciśnieniowych jest z kolei to, że zajmują mało miejsca i pozwalają ograniczyć ilość stopni pompowania. Potencjalnie wiążą się również z niższymi kosztami inwestycyjnymi.
W niniejszym artykule zostanie przeanalizowana eksploatacja systemów ciśnieniowego napowietrzania wody podziemnej.
Charakterystyka podstawowych urządzeń napowietrzania ciśnieniowego wody
Spośród eksploatowanych na SUW systemów napowietrzania do najczęściej stosowanych zaliczyć można
· napowietrzanie metodą „rura w rurę”,
· napowietrzanie przy użyciu strumienic (inżektorów),
· napowietrzanie przy użyciu aeratorów montowanych przed każdym filtrem ciśnieniowym,
· centralne aeratory ciśnieniowe.
Pierwszy z wymienionych systemów trudno jest nazwać sposobem napowietrzania wody. Często jest on traktowany jako rozwiązanie doraźne, przed zastosowaniem bardziej efektywnego sposobu napowietrzania.
Polega na wprowadzeniu rurociągu z powietrzem bezpośrednio do kolektora doprowadzającego wodę surową na SUW, albo przed każdy z filtrów ciśnieniowych oddzielnie.
Do zdecydowanych wad takiego rozwiązania można zaliczyć:
· minimalną powierzchnią kontaktu na linii woda – powietrze, w efekcie czego uzyskuje się niski stopień wysycenia wody z tlenem,
· brakiem odgazowania wody,
· z reguły całe wprowadzone i wymieszane z wodą powietrze ucieka od razu pierwszym odpowietrznikiem
· jeśli odpowietrzniki nie pracują należycie następuje z kolei odwrotne zjawisko – zapowietrzanie filtra, bądź złoża filtracyjnego,
· w sytuacji napowietrzania wody, przed każdym filtrem oddzielnie bardzo trudno ustalić warunki jednakowego natlenienia wody,
· bardzo niski czas kontaktu wody z powietrzem, który jest w zasadzie równy czasowi przepływu wody przez odcinek od miejsca wprowadzenia powietrza do najbliższego zaworu odpowietrzającego (chyba że takowego nie ma).
Do jedynych zalet można zaliczyć:
· minimalne koszty ,
· kompaktowość.
Skuteczność działania systemu uzdatniania wody z napowietrzeniem metodą „rura w rurę” zależy od składu chemicznego surowca. Jeśli woda nie zawiera nadmiaru gazów niepożądanych, a stężenia wskaźników takich jak żelazo, czy jon amonowy nie wykraczają znacząco poza normy, wówczas napowietrzenie wody – czy raczej wprowadzenie do wody tlenu tą metodą może być wystarczające.
Jeśli jednak z przyczyn technicznych istnieje konieczność eksploatacji tego typu systemu dla wody trudniejszej można choć trochę poprawić jego efektywność poprzez:
· włączenie powietrza w rurociąg z wodą surową możliwie jak najdalej od filtrów (przy czym trzeba sobie zdawać sprawę z tego, że w takiej sytuacji będzie dochodziło do wytrącania np żelaza w tymże rurociągu, co oczywiście będzie wymuszało jego częstsze czyszczenie, ale z drugiej strony uzyska się poprawę czasu kontaktu wody i powietrza),
· montaż za punktem wprowadzenia powietrza, mieszacza statycznego, lub choćby kryzy dławiącej, w efekcie czego uzyska się lepsze wymieszanie tych dwóch mediów i wyższą powierzchnię wymiany gazowej.
Generalnie jednak trzeba podkreślić, że ten system napowietrzania wody należy traktować jako doraźny, zaś jego eksploatacja może być źródłem wielu problemów w uzdatnianiu wody, mających swoje podłoże, czy to w niedostatecznym natlenieniu wody, zbyt krótkim czasie kontaktu wody i powietrza, czy też słabym odgazowaniu.
Napowietrzanie inżektorowe jako druga z wymienionych metod również jest stosowane na wodociągach i to zarówno dużych jak i niewielkich.
Schemat inżektora przedstawiono na rysunku 1.
Rysunek 1. Inżektor - przekrój
Strumień płynącej wody natrafia na przewężenie na który następuje wzrost prędkości przepływu, ale spadek ciśnienia. Przy odpowiednim przepływie wody spadek jest tak duży, że tworzy się podciśnienie, w efekcie czego następuje zassanie powietrza do wnętrza inżektora. Zassane powietrze miesza się z wodą.
Ilość zassanego powietrza zależy zatem bezpośrednio od przepływu wody surowej. Jeśli przepływ będzie zbyt mały powietrza będzie również mało i odwrotnie. Z kolei oczywiście przewężenie wywołuje stratę ciśnienia. Im większy przepływ, tym strata ciśnienia na inżektorze wyższa, co należy uwzględnić przy doborze odpowiednich pomp.
Najczęstsze problemy w eksploatacji tego typu urządzeń to właśnie niedopasowanie rozmiarów inżektora do przepływu, lub zmienność dobowa czy sezonowa produkcji wody.
Zdarzają się bowiem sytuacje, że maksymalna produkcja różni się w stosunku do produkcji minimalnej kilkukrotnie. Wówczas należy wprowadzić kilka inżektorów na równoległych nitkach.
Problemów takich nie będzie w układach pracujących w systemie załącz / wyłącz, ze stałą wydajnością tłoczenia wody surowej. Wówczas zawsze przez inżektor przepłynie taka sama ilość wody, co pozwoli na precyzyjne dopasowanie wielkości urządzenia pod kątem wymaganej ilości powietrza.
O ile jednak w przypadku inżektorów ilość powietrza i stopień jego wymieszania z wodą wystarczają z reguły na natlenienie wody do wymaganego poziomu, o tyle odgazowanie wody jest już utrudnione.
Również czas kontaktu wody z powietrzem zależy od długości odcinka rurociągu pomiędzy inżektorem (miejscem wprowadzenia powietrza) a odpowietrznikiem.
Zalety to oczywiście niski koszt oraz łatwość montażu przy minimalnej powierzchni zajmowanej przez urządzenie.
Małe aeratory ciśnieniowe (mieszacze wodno – powietrzne) montowane przed filtrami ciśnieniowymi, pozwalają już na uzyskanie:
· pewnego czasu kontaktu wody z powietrzem
· wystarczającego, z reguły, natlenienia wody.
Niestety usunięcie gazów jest tutaj praktycznie niemożliwe.
Na zdjęciu 1 i 2 przedstawiono układy technologiczne bazujące na tego typu urządzeniach.
Zdjęcie 1 i 2. Małe mieszacze wodno – powietrzne montowane przed filtrami
Podstawowe problemy z jakim borykają się eksploatatorzy tego typu mieszaczy to:
· brak możliwości precyzyjnej i jednolitej regulacji ilości doprowadzanego powietrza do każdego z aeratorów zamontowanych przed filtrami (jeśli filtrów jest 4 tyleż samo jest aeratorów) – w efekcie czego na jednym filtrze woda może być przesycona powietrzem, na drugim natomiast dochodzi do stanu niedotlenienia, co skutkuje problemami technologicznymi,
· trudności z konserwacją urządzenia (zwłaszcza starego typu), gdzie nie ma możliwości dotarcia do środka i okresowego przeczyszczenia aeratora, a zdarza się, zwłaszcza w układach z dużą zawartością żelaza w wodzie surowej, że aerator lub rurociąg doprowadzający powietrze jest całkowicie niedrożny, bądź przepływ wody odbywa się tylko wąską strugą pośrodku aeratora.
Czasami, by wyeliminować pierwsze z wspomnianych uniedogodnień eksploatacyjnych montuje się aeratory tego typu w baterie, zgodnie ze zdjęciem nr 3.. Dzięki temu możliwe jest jednolite napowietrzenie całej wody trafiającej na filtry.
Poprawę efektywności i skuteczności pracy tego typu urządzeń uzyskuje się również dzięki zastosowaniu pierścieni z tworzywa (np pierścienie Raschiga, czy Białeckiego), które to pierścienie zwiększają powierzchnię wymiany gazowej. Niestety nie wszystkie układy da się przerobić w ten sposób. Na szczęście nowe aeratory tego typu są wyposażone w część z pierścieniami oraz z reguły składają się z dwóch części łączonych kołnierzowo co umożliwia ich łatwiejszą konserwację.
Zdjęcie 3. Modyfikacja układu napowietrzania polegająca na montażu aeratorów w baterie.
Duże centralne aeratory ciśnieniowe pozwalają na zdecydowanie najefektywniejsze z wymienionych systemów napowietrzanie wody. Niestety cały czas odgazowanie wody jest tutaj niezadowalające. Dużo zależy od rozwiązania systemu samego doprowadzenia powietrza, względnie zastosowania w aeratorze systemu wypełnień w postaci różnorakich pierścieni. Oczywiście aeratory tego typu spośród wszystkich wymienionych systemów najwięcej miejsca i są najdroższym rozwiązaniem – ale jeszcze raz należy podkreślić – najłatwiejszym w eksploatacji i najefektywniejszym.
Przede wszystkim ważne są następujące elementy:
· najdłuższy czas przetrzymania wody z powietrzem przed filtracją,
· zasilanie w powietrze z jednego rurociągu, dzięki czemu można precyzyjnie dopasować ilość powietrza do aeracji,
· cała objętość uzdatnianej wody jest napowietrzana w jednakowy sposób, tak a na każdy filtr trafia surowiec maksymalnie równomiernie natleniony.
Przykładowe układy technologiczne oparte o napowietrzanie centralne przedstawiają zdjęcia 4 i 5.
Zdjęcia 4 i 5. Układy centralnego napowietrzania wody.
Mimo różnic konstrukcyjnych opisanych powyżej rozwiązań układów napowietrzania ciśnieniowego wody z eksploatacyjnego punktu widzenia trzeba brać pod uwagę kilka elementów, które pozwolą ocenić, a następnie poprawić skuteczność pracy systemu.
Eksploatacja układów napowietrzania ciśnieniowego
W eksploatacji systemów napowietrzania ciśnieniowego wody podziemnej należy brać pod uwagę kilka podstawowych elementów, które w łatwy sposób pozwalają ocenić skuteczność układu oraz podjąć określone czynności zaradcze.
1. Kontrola systemu. Diagnostyka
Podstawowym zadaniem napowietrzania ciśnieniowego wody jest oczywiście dostarczenie tlenu do wody. Kontrola ilości tlenu odbywa się oczywiście przy użyciu sondy tlenowej z miernikiem (tlenomierza), bądź w niektórych laboratoriach jeszcze starym sposobem – metodą Winklera.
Naturalnie większą dokładność dają pomiary ma miejscu. Jednak pomiar tlenu bywa obarczony błędem – zwłaszcza jeśli wodę pobiera się do butelki nie zachowując przy tym elementarnych zasad – tj. przede wszystkim zasady minimalizacji rozdeszczenia (wtórnego natlenienia) strumienia pobieranej do badań wody.
Najlepsze wyniki (najbardziej stabilne) dają pomiary ciągłe – których najprostszą odmianą jest metoda polegająca na wprowadzeniu strumienia badanej wody (najlepiej wężem) do zlewki (lub innego naczynia), w której znajduje się sonda tlenowa i dokonywania pomiaru przy ciągłym przepływie tejże badanej wody. Badanie tą metodą np wody surowej (przed napowietrzeniem) pozwala stwierdzić stężenia tlenu nawet < 0,3 mgO2/L.
Celem oceny skuteczności napowietrzania wody tlen mierzy się w następujących miejscach ciągu technologicznego:
· w wodzie surowej (niekiedy bowiem zdarza się tak, że woda surowa zawiera nawet kilka miligramów O2/L),
· po napowietrzeniu (po aeratorze), jeśli jest kurek probierczy; w tym miejscu w oznaczeniu zawartości tlenu czasami przeszkadzają pęcherze nierozpuszczonego powietrza osadzające się na sondzie tlenowej, co niejednokrotnie istotnie zakłóca pomiar i zniekształca wynik,
· po filtrach – tutaj z reguły woda jest już ustabilizowana gazowo, nie powinna zawierać pęcherzy powietrza, które przeszkadzają w pomiarze, stąd wynik zazwyczaj jest najbardziej wiarygodny.
Oczywiście jedna rzecz to pomiar, a inna to stwierdzenie, czy zmierzona zawartość tlenu jest wartością wystarczającą czy też nie.
Do czego zużywany jest tlen w procesach uzdatniania wody podziemnej? Otóż podstawowe procesy zużywające określone ilości tlenu (wg równań chemicznych) to:
· utlenianie jonu amonowego – biologiczna nitryfikacja, która jest najbardziej tlenochłonnym procesem technologicznym, zużywając wg. obliczeń stechiometrycznych ok 4,6 mgO2/mgN-NH4+, rzeczywiste zużycie z różnych przyczyn jest nieco niższe i np wg badań autora może nawet spadać dwukrotnie (do 2,0 – 3,0 mgO2/mgN-NH4+)
· utlenianie manganu – zgodnie z równaniem stechiometrycznym na 1,0 mgMn potrzeba ok 0,29 mgO2/L,
· utlenianie żelaza – tutaj teoretyczne zużycie tlenu jest najniższe bo ok 0,14 mgO2/1,0 mgFe+2/L, choć niektórzy autorzy [A.L Kowal, M. Świderska – Bróż: Oczyszczanie wody; PWN W-wa – Wrocław 2000], podają, że w zakresie pH 6,0 – 8,0 skuteczne utlenianie żelaza przebiega przy zawartości tlenu 0,5 – 0,9 mgO2/mgFe+2, zaś bez korekty pH należy przyjąć nawet 1,0 mgO2/mgFe+2.
Poza tym tlen zużywany jest również na inne procesy biochemicznego utleniania, czy to materii organicznej, czy to np siarczków, jednak z reguły są to procesy pomijane w obliczeniach zużycia tlenu.
Znając zatem skład chemiczny wody surowej w zakresie trzech wymienionych wskaźników można teoretycznie wyznaczyć zapotrzebowanie wody na tlen. W praktyce określa się je na podstawie wartości stechiometrycznych.
Przykład 1.
Określić stechiometryczne zapotrzebowanie na tlen dla wody o jakości: Fe: 1,0 mg/L; Mn: 0,5 mgMn/L, N-NH4+: 1,0 mg/L.
Zgodnie z przedstawionymi powyżej informacjami:
ZO2 = 1,0 mgFe/L*0,14 mgO2/mgFe + 0,5 mgMn/L*0,29 mgO2/mgMn +
+ 1,0 mgN-NH4+ *4,6 mgO2/mgN-NH4
ZO2 = 4,88 mgO2/L
Dodatkowo przy określaniu zapotrzebowania wody na tlen dodaje się ok 3,0 mgO2/L po filtrach, stąd całkowite zapotrzebowanie (uwzględniające powyższy dodatek), jakie powinno zostać zapewnione przez układ napowietrzania wyniesie:
ZO2Calk. = 4,88 + 3,0 = 7,88 mgO2/L
Mierząc zatem stężenie tlenu na wlocie do filtrów oraz po filtracji powinno się uzyskać w omawianym przykładzie wartości:
· po napowietrzaniu ok 8,0 mg/L,
· po filtracji ok 3,0 mg/L.
Są to jednak tylko przybliżone wartości i czasami przy niższych stężeniach tlenu również uzyskuje się wymaganą skuteczność usuwania wskaźników z wody do poziomu zgodnego z normami.
Jak wspomniano wcześniej ważniejsze i bardziej miarodajne są wyniki badań stężenia tlenu po filtrach i to względem tych odczytów powinno się dokonywać dosterowania ilości doprowadzanego powietrza.
Stwierdzony niedobór tlenu nierzadko jest przyczyną zakłóceń procesów technologicznych w tym przede wszystkim usuwania jonu amonowego i pośrednio również manganu. W skrajnych przypadkach (całkowitego niedotlenienia) może dochodzić również do zakłóceń w usuwaniu z wody żelaza, co może wywoływać trudne do odwrócenia skutki – zwłaszcza w procesie odmanganiania wody (żelazo nieutlenione tlenem, będzie przenikało coraz głębiej w złoże filtracyjne, zatrzymując się na powłokach katalitycznych usuwających mangan, pokrywając je i dezaktywując). Stąd tak ważne są pomiary zawartości tlenu w układzie technologicznym.
Drugie zadanie układu napowietrzania – odgazowanie można skontrolować poprzez pomiar odczynu wody przed i po napowietrzaniu.
Zawarte w wodzie gazy – dwutlenek węgla (agresywny) oraz siarkowodór powodują obniżenie odczynu, który wzrasta po ich usunięciu. Wzrost pH jest proporcjonalny do skuteczności odgazowania wody – a dokładnie do ilości odpędzonego głównie agresywnego dwutlenku węgla.
Pomiar pH należy wykonać również w trzech miejscach układu technologicznego:
· w wodzie surowej,
· wodzie napowietrzonej
· wodzie po filtracji.
Kolejny istotny elementem kontroli i diagnostyki układu uzdatniania to pomiar ilości doprowadzanego do wody powietrza. Pozwala on stwierdzić wiele usterek technicznych układu i dzięki temu w porę zapobiec poważniejszym komplikacjom technologicznym.
Znajomość ilości doprowadzanego powietrza do wody i obserwacja zmian tej ilości pozwala na wyciąganie następujących wniosków:
· jeśli przy niezmienionej nastawie zaworu na rurociągu tłoczącym powietrze spada jego ilość (pośrednio np spada mierzone stężenie tlenu), wówczas jest to informacja np o kolmatacji (zapchaniu) systemu dystrybucji powietrza w aeratorze choćby żelazem,
· z drugiej strony jeśli ilość powietrza wzrasta, również bez zmiany nastawy zaworu na rurociągu doprowadzającym powietrze do wody, wówczas może to być sygnał o uszkodzeniu systemu dystrybucji powietrza w aeratorze (np urwanie dyszy napowietrzającej i zwiększenia przekroju rurociągu przez który wydostaje się powietrze),
· obniżenie sprawności sprężarki w skutek czy to uszkodzenia czy naturalnego zużycia.
Żeby jednak ocenić czy ilość powietrza do napowietrzania spada czy też wzrasta konieczna jest znajomość stanu wyjściowego – nastawy początkowej.
I tak zdecydowanie najlepszym sposobem oceny ilości doprowadzanego powietrza do aeratora jest oczywiście rotametr montowany czy to przed każdym aeratorem (zwłaszcza w układach centralnego napowietrzania ciśnieniowego), czy też na głównym rurociągu do napowietrzania wody.
Rotametry powinny zostać dobrane tak, by ilość powietrza doprowadzanego do napowietrzania wywoływała unos pływaka mniej więcej w połowie skali – dla średniego stanu produkcji.
Na zdjęciu nr 6 przedstawiono rotametr wmontowany w układ technologiczny.
...
bartekkszczot35a