Złoża filtracyjne w technologii uzdatniania wody cz II

Część II. Materiały wstępnie chemicznie nieaktywne. Produkcja, dobór

W pierwszej części artykułu, publikowanego w numerze 6/2017 Technologii Wody dokonana została wstępna charakterystyka stosowanych materiałów filtracyjnych. Omawiane były podstawowe własności fizyczne i chemiczne złóż. Wymienione zostały również główne grupy stosowanych w technologii uzdatniania wody złóż.

W części II zostaną omówione wybrane zagadnienia związane z produkcją złóż, ich doborem, z położeniem nacisku na najczęściej wykorzystywane złoża, które nazwano roboczo: „materiałami początkowo nieaktywnymi chemicznie i biologicznie”. To sformułowanie odnosi się do faktu, iż część złóż świeżo zasypanych do filtra nie wykazuje żadnych własności poza czysto fizyczną filtracją. Dopiero z czasem, w trakcie ich tzw. wpracowania, ziarna pokrywają się powłokami tlenkowymi oraz zaczynają się rozwijać różne bakterie realizujące określone funkcje technologiczne (wspomniana w nazwie „nieaktywność” odnosi się do funkcji technologicznych).

Do najczęściej stosowanych materiałów tego typu zaliczyć należą:

• piasek kwarcowy,
• piasek chalcedonitowy,
• piasek antracytowy.

Skład chemiczny tych złóż jest zasadniczo neutralny w stosunku do wody surowej, przez co należy rozumieć, iż materiały te początkowo nie usuwają zanieczyszczeń innych niż zawiesiny (oczywiście mogą to być wytrącone tlenki żelaza i manganu, jeśli wcześniej prowadzone jest ich utlenianie). Odbywa się to jednak czysto fizycznie. Żeby być precyzyjnym, należy jednak odnotować, że sama zawiesina odfiltrowywana na złożu może katalizować pewne procesy. Jeśli bowiem będą to tlenki żelaza(III), to na ich powierzchni zachodzić będą procesy sorpcyjne (w tym również manganu(II)), stąd można odnieść, skądinąd mylne wrażenie, że zawartość manganu jest częściowo obniżana). W każdym razie, nie ma w tym bezpośredniego udziału złoże filtracyjne.

Dwa pierwsze materiały filtracyjne, tj. piasek kwarcowy oraz chalcedonitowy, zbudowane są w przeważającej części z krzemionki – SiO₂ (z domieszkami różnych tlenków), natomiast antracyt, to oczywiście węgiel. Oprócz składu chemicznego, inne elementy, które różnią wymienione złoża to:

• geometria ziarna – sferyczność,
• gęstość właściwa,
• gęstość nasypowa,
• porowatość ziarna,
• porowatość złoża.

Wartości poszczególnych parametrów, których szczegółową charakterystykę przedstawiono w poprzednim artykule, decydują o własnościach użytkowych poszczególnych złóż.

Wymienione powyżej materiały są stosowane zarówno w uzdatnianiu wody powierzchniowej jak i podziemnej. Co jakiś czas na rynku pojawiają się inne złoża, przydatne do realizacji procesów oczyszczania, natomiast istotna jest informacja o ich potencjalnych własnościach chemicznych, bądź też ich braku. Wiedzę taką należy wykorzystywać dwutorowo, mianowicie, jeśli zastosowany materiał takich własności nie posiada – wówczas należy się liczyć z koniecznością jego aktywacji, natomiast w przypadku gdy takie własności występują – wtedy wprost przeciwnie – należy zapewnić warunki, które nie spowodują ich zaniku, czego następstwem jest niekiedy jego wymiana.

Najczęściej stosowanym materiałem filtracyjnym jest piasek kwarcowy. W drugiej kolejności stosowane są piaski chalcedonitowe i antracytowe.

1. Produkcja złóż początkowo nieaktywnych chemicznie i biologicznie

Sposób produkcji dla każdego z wymienionych materiałów jest nieco różny.

W przypadku piasku kwarcowego – jego pozyskanie odbywa się poprzez wydobycie z kopalni w formie luźnej, późniejsze płukanie, sortowanie, suszenie i konfekcjonowanie, magazynowanie i transport.

Piasek chalcedonitowy i antracytowy pozyskiwane są poprzez kruszenie złóż i dalej podobnie jak w przypadku piasku kwarcowego.

Tym samym fakt, iż np. chalcedonit czy antracyt są kruszone, decyduje o i ich korzystnych własnościach wykorzystywanych w technologii uzdatniania wody.

Przede wszystkim, złoża filtrów wypełnionych chalcedonitem oraz antracytem są bardziej porowate. Tym samym ich pojemność na zanieczyszczenia jest większa (przy tym samym uziarnieniu) niż w przypadku piasku kwarcowego.

Dodatkowo, chalcedonit posiada jeszcze porowatość wewnętrzną, która umożliwia szybszą jego aktywację, czy to do usuwania jonu amonowego, czy też manganu.

Piasek kwarcowy ma zdecydowanie niższą porowatość złoża i praktycznie zerową porowatość wewnętrzną. Mankament ten próbuje się kompensować poprzez obróbkę udarową piasku kwarcowego, nadającą ziarnom krawędziasty kształt.

Poszczególne procesy na etapie pozyskania złoża decydują o jakości materiału końcowego i tym samym rzutują na wiele aspektów związanych z jego zastosowaniem – od własności technologicznych zaczynając, na wystąpieniu potencjalnych problemów przy rozruchu kończąc.

Sam zasyp również jest etapem, który generuje określone zagrożenia dla późniejszej produkcji wody.

Powyższe jest szczególnie ważne w kontekście opracowywania Planów Bezpieczeństwa Wody, a także oceny ryzyk na tym etapie systemu zaopatrzenia. Zagadnieniom tym zostanie poświęcony oddzielny artykuł.

Spośród najistotniejszych kwestii związanych z produkcją złóż filtracyjnych i jakością produktu dostarczonego na obiekt wraz z magazynowaniem, istotne wydaje się być:

• zgodność dostarczonego materiału z założeniami technologicznymi, szczególnie w odniesieniu do przebiegu krzywej uziarnienia i udziału procentowego ziaren o określonej średnicy;
• zawartość pod- i nadziarnia (aspekt analizowany w poprzednim artykule) – materiały o przekroczonej zawartości tych frakcji mogą powodować określone komplikacje technologiczne, tj.:
  • w przypadku podziarnia – intensywną kolmatację materiału filtracyjnego (znaczące skrócenie cykli filtracyjnych, występowanie podciśnień w złożu filtracyjnym);
  • w przypadku nadziarnia – zmniejszenie efektywności odfiltrowania zawiesin;
• czystość „fizyczna” materiału filtracyjnego (w złożu nie może być żadnych części organicznych, liści itp.) – należy przy tym pamiętać, że na czystość końcową złoża zasypywanego do filtrów składa się nie tylko sam wyprodukowany materiał, ale i worki – opakowania do jego transportu. Jeśli do przechowywania i transportu materiału zostaną użyte opakowania – szczególnie typu big-bag – w których wcześniej przewożony był inny materiał, wtedy może on się również znaleźć w złożu. Z praktyki eksploatacyjnej – w ten właśnie sposób do filtrów dostały się np. ziarna rzepaku, kukurydzy, czy drobiny plastiku, który wcześniej był przechowywanych w big-bagach, później wykorzystywanych do transportu złoża filtracyjnego. Z tego punktu widzenia, do tego celu muszą być wykorzystywane zawsze nowe opakowania;
• czystość „chemiczna” materiału filtracyjnego – do produkcji złoża nie mogą być wykorzystywane substancje, które później na tym złożu pozostaną. W pojedynczych przypadkach stwierdzano obecność akryloamidu w wodzie przefiltrowanej przez świeżo zasypane złoże filtracyjne, którego jedną z możliwych przyczyn obecności mogło być wykorzystywanie w procesie jego produkcji, przy płukaniu złoża, wody cyrkulującej, oczyszczanej z zawiesin i pyłów z wykorzystaniem koagulantów i polielektrolitów;
• czystość „biologiczna” materiału filtracyjnego – zasadniczo należy założyć, że w procesie pozyskania, płukania, pakowania, przechowywania i dalej zasypywania złoża filtracyjnego może nastąpić jego zanieczyszczenie mikrobiologiczne, stąd też złoża powinny być każdorazowo, bezwzględnie dezynfekowane. Oczywiście, należy w maksymalnie możliwy sposób ograniczać potencjalne zagrożenia mikrobiologiczne w odniesieniu do materiału filtracyjnego, poprzez: na etapie produkcji – stosowanie do płukania złoża wody o odpowiedniej jakości lub późniejsze suszenie złoża, które również ma funkcje higienizujące, przechowywanie złoża w oryginalnych, nowych opakowaniach, w miejscach, które nie narażają na dodatkowe zanieczyszczenie biologiczne. Znane są przypadki przechowywania złóż przed ich zasypaniem, np. w oczyszczalni ścieków – sytuacja taka może być dodatkowo czynnikiem generującym określone problemy po ich zasypaniu.

Zasyp złoża filtracyjnego oraz jego dezynfekcja stanowią oddzielnie zagadnienie, które będzie omówione w jednym z kolejnych artykułów w Technologii Wody 3/2019.

Należy jednak pamiętać, że dostarczony materiał powinien być każdorazowo skontrolowany w maksymalny możliwy sposób, zaś jego próbka przed zasypaniem odłożona do ewentualnej kontroli w przypadku wystąpienia problemów, których przyczyn nie dało się wychwycić wcześniej – przy dostawie, czy też zasypie złoża. Absolutnym minimum jest ocena wizualna złoża dostarczonego do obiektu przez osobę z doświadczeniem w zasypie złóż filtracyjnych.

Na fot. 3 przedstawiono przykładowy sposób archiwizacji próbek materiałów filtracyjnych dostarczonych do obiektu. Kiedyś przedstawiony sposób był znacznie powszechniejszy, obecnie coraz rzadziej jest stosowany. Niemniej, doświadczenia pokazują, że odsypanie części materiału wykorzystanego do zasypu filtra może przynieść określone korzyści we wspomnianych sytuacjach komplikacji technologicznych, szczególnie na etapie rozruchu, a także daje możliwości łatwiejszego odtworzenia złoża przy jego uzupełnianiu lub ponownym zasypie po wielu latach.

Problemy technologiczne z uzdatnianiem wody, powstające na etapie produkcji, transportu i przechowywania złoża, zgodnie z doświadczeniami z różnych obiektów, to:

• nieodpowiednia czystość chemiczna i wypłukiwanie substancji niepożądanych – dlatego każdy materiał mający kontakt z wodą powinien zostać objęty oceną higieniczną prowadzoną przez PPIS, której pierwszą fazą jest weryfikacja Atestu Higienicznego wydawanego przez PZH (czy jest i czy jest ważny), zaś drugą fazą, przeprowadzenie badań już po zastosowaniu danego materiału, zgodnie z listą parametrów określonych w Rozporządzeniu w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. To właśnie w trakcie tych badań możliwe jest wychwycenie substancji, które w wodzie nie powinny się znaleźć, a mogą przechodzić do niej z zastosowanego materiału;
• nieodpowiednia czystość biologiczna i problemy z uzyskaniem właściwych wyników badań mikrobiologicznych – przy czym zazwyczaj określenie miejsca nadkażenia biologicznego złoża nie jest łatwe, stąd na każdym etapie pracy z materiałem filtracyjnym należy przestrzegać procedur minimalizujących jego zainfekowanie i późniejsze potencjalne problemy z dezynfekcją;
• zbyt wysoka zawartość podziarnia i generowanie wysokich oporów filtracyjnych, uniemożliwiające uzyskanie takiej wydajności filtracji, jak przed zasypem świeżego materiału;
• zbyt wysoka zawartość nadziarnia lub zbyt wysokie uziarnienie w ogóle, które uniemożliwia uzyskanie odpowiedniej efektywności procesu filtracji i powoduje złą jakość filtratu;
• zastosowanie w różnych filtrach złóż o różnej charakterystyce granulometrycznej, powodującej nierównomierne ich obciążenie (czasami niezamierzone, wynikające z różnic w charakterystykach dostarczanych materiałów filtracyjnych).

Tym samym, ważne jest, by każdorazowo, szczególnie dla większych dostaw, wraz z materiałem filtracyjnych była dostarczana również krzywa uziarnienia.

2. Dobór złóż filtracyjnych

Zakłada się, że dobór każdego złoża filtracyjnego – w tym omawianego piasku kwarcowego – winien być przeprowadzony w oparciu o określone założenia, różne dla typu wody poddawanej uzdatnianiu. Tym samym, podstawę doboru stanowić mogą:

• badania pilotowe konkretnego piasku kwarcowego dla danej wody (stosowane szczególnie w trudnych przypadkach technologicznych oraz na dużych obiektach SUW). W badaniach pilotowych istotne jest porównanie różnych uziarnień złoża oraz ich szeroko rozumianej efektywności technologicznej i hydraulicznej;
• przegląd literatury fachowej i wytyczne tam znajdujące się, w tym przeliczenia technologiczne oparte o wzory, zazwyczaj empiryczne;
• doświadczenia własne, oparte na funkcjonowaniu danego obiektu przed zasypem nowego złoża;
• doświadczenia z innych obiektów uzdatniających wodę o podobnym składzie jakościowym, funkcjonujących w oparciu o podobne uwarunkowania techniczne;
• wytyczne producenta, co do warunków technologicznych w jakich dany materiał filtracyjny winien pracować (zazwyczaj są to jednak przedziały – zakresy parametrów, takich jak prędkości filtracji czy płukania).

Spośród wymienionych sposobów, najpewniejszym wydaje się być pierwszy, ponieważ w toku odpowiednich badań można dokładnie zweryfikować funkcjonowanie każdego złoża filtracyjnego. Badania tego typu muszą być jednak wykonane w sposób, który pozwoli przełożyć wyniki ze skali pilotowej na skalę techniczną. Dotyczy to głównie:

• średnic filtrów wykorzystywanych do badań;
• czasu prowadzenia badań;
• wielu wariantów technologicznych badanych materiałów (filtracji równoległej na złożach o różnych parametrach technologicznych).

Optymalnie, badania winny być realizowane na wielokolumnowej instalacji badawczej (pewnym standardem są przezroczyste kolumny filtracyjne ze szkła organicznego). Jednakże dla mniejszych obiektów, gdzie widzi się potrzebę przeprowadzenia takich testów, lepszym rozwiązaniem wydają się być równolegle pracujące do istniejącego układu technologicznego filtry ciśnieniowe – np. z żywic, niewielkiej średnicy, z głowicami umożliwiającymi automatyczne płukanie. Dzięki temu uniknie się niedogodności związanych z ciągłym doglądaniem klasycznej stacji pilotowej – badawczej.

Oczywiście, uzyskane w ten sposób wyniki są znacznie mniej pełne niż w przypadku wspomnianych kolumn badawczych, jednak w wielu przypadkach w zupełności wystarczające dla potwierdzenia trafności wstępnego doboru złoża lub też nie.

Istotną zmienną jest czas prowadzenia badań doborowych złoża. W niektórych przypadkach musi on być taki, by móc zaobserwować procesy aktywacyjne zachodzące w złożu.

W przypadku złóż o których mowa (wstępnie chemicznie nieaktywnych), w zależności od tego co zawiera woda surowa, badania powinny trwać odpowiednio długo. I tak, przykładowo:

• jeśli w wodzie jest tylko zawiesina, badania powinny trwać na tyle długo, by określić na przykład:
  • jak długie cykle filtracyjne uzyskuje się na dobranym materiale, przy zachowaniu odpowiedniej jakości wody uzdatnionej,
  • jaka jest efektywność pracy tego materiału przy różnych prędkościach filtracji (szczególnie jeśli eksploatacja układu technicznego, w którym ma zostać zastosowane złoże prowadzona jest ze zmiennymi prędkościami),
  • jak zmieniają się opory złoża po odfiltrowaniu zawiesiny w kolejnych cyklach (kontrola efektywności płukania dla założonych warunków tego procesu);
• jeśli w wodzie znajduje się żelazo i mangan, wtedy w toku badań pilotowych należy, na przykład:
  • określić, jaka jest wysokość strefy odżelaziania dla danego materiału filtracyjnego (temat tego bardzo istotnego w uzdatnianiu wód podziemnych parametru był poruszany w jednym z artykułów w TW w 2017 roku), dla różnych prędkości filtracji,
  • określić, jaki jest czas aktywacji złoża nieaktywnego do usuwania manganu (naturalna aktywacja),
  • określić, dla jakich prędkości filtracji możliwe jest jednoczesne odżelazianie i odmanganianie wody – czyli stosowanie jednego stopnia filtracji. W przypadku usuwania żelaza i manganu badania mogą obejmować złoża wielowarstwowe
    • z tzw. wkładką katalityczną
    • w tym przypadku nie określamy czasu wypracowania złoża, gdyż materiał tego typu winien pracować natychmiast
    • od uruchomienia. Istotniejszym jest jednak ustalenie, czy odżelazianie, realizowane na piasku kwarcowym, chalceodnitowym czy antracytowym, jest na tyle skuteczne, by nie dopuścić do dezaktywacji złoża katalitycznego żelazem,
• jeśli w wodzie znajduje się dodatkowo jon amonowy, badania winny iść w kierunku ustalenia czasu aktywacji tego materiału filtracyjnego bakteriami nitryfikacyjnymi, które realizują proces utleniania jonu amonowego.

Dość poważnym błędem przy doborach złóż filtracyjnych popieranych badaniami technologicznymi jest korzystanie z wody pobieranej w obiekcie i przewożonej do laboratorium, czy też miejsca, w którym prowadzone są badania. Niestety, jest to praktyka bardziej powszechna niż się wydaje, która nierzadko prowadzi do wyciągania błędnych wniosków. Dotyczy to przede wszystkim tych przypadków, w których w wodzie występują żelazo i mangan. Ogólnie, wiadomym jest fakt, iż w trakcie poboru wody do badań następuje jej natlenienie. Tym samym, zawarte w wodzie żelazo ulega stopniowemu utlenieniu, tworząc zawiesinę. Żelazo utlenione jest usuwane z wody w innym mechanizmie, niż żelazo rozpuszczone. Przewożąc wodę należy się liczyć z tym, że na miejscu badań warunki usuwania tych dwóch wskaźników w procesie filtracji (żelaza i manganu) będą skrajnie różne, niż wykonując badania bezpośrednio w obiekcie.

Niestety, jeszcze raz należy to powtórzyć, praktyka przewożenia wody do badań procesu odżelaziania i odmanganiania wody jest dość częsta, niezgodna ze sztuką.

Obecnie jednak coraz rzadziej prowadzone są badania doborowe złóż filtracyjnych. Większość osób dobierających opiera się na doświadczeniu własnym lub doświadczeniu z innych obiektów, nie zawsze unikając błędów.

Procedura doboru złóż filtracyjnych jest ściśle zależna od jakości wody, ale także pewnych uwarunkowań technicznych związanych z dostępnością miejsca na SUW (powierzchnia filtracji), maksymalną wysokością filtrów na SUW (wysokość budynku) i technologicznych, jak sposób wstępnego przygotowania wody przed filtracją.

Zagadnienie to było częściowo omawiane w odniesieniu do odżelaziania i odmanganiania wody w jednym z artykułów w TW w 2017 roku.

Problemy technologiczne wynikające ze złego doboru złoża filtracyjnego (w obrębie analizowanych złóż początkowo nieaktywnych), to np:

• zbyt duże opory hydrauliczne złoża (szczególnie, gdy jest zbyt drobne), przekładające się na skrócenie cyklu filtracyjnego i konieczność częstego płukania;
• zbyt niska efektywność odfiltrowania zawiesin oraz duża podatność na zrywanie zawiesin wskutek uderzeń hydraulicznych;
• w przypadku odżelaziania, zbyt wysoka strefa usuwania tego wskaźnika, zależna w dużej mierze od uziarnienia złoża, powodująca wnikanie tego pierwiastka w głąb filtra i zakłócanie procesu odmanganiania;
• w przypadku filtracji dwustopniowej, przechodzenie manganu przez pierwszy stopień filtracji (w tym przez drenaż pierwszego stopnia), co może powodować jego kolmatację wytrącającymi się tlenkami manganu(IV).

Wymienione problemy, to najczęstsze sytuacje technologiczne, których bezpośrednią przyczyną jest złoże filtracyjne.

Ich eliminacja jest możliwa poprzez świadomy dobór materiału filtracyjnego, z uwzględnieniem wymienionych możliwych komplikacji.

W kolejnym artykule w Technologii Wody 3/2019 zostaną przedstawione zagadnienia związane z zasypem i dezynfekcją złóż filtracyjnych wstępnie nieaktywnych (piasku kwarcowego, chalcedonitowego i antracytowego).

dr inż. Łukasz Weber, Nentech s.c.

Źródło: Technologia Wody 2/2018