Badania technologiczne złóż keramzytowych w uzdatnianiu wód podziemnych

Uzdatnianie wód podziemnych w głównej mierze polega na usunięciu z wody przekroczonej zawartości żelaza, manganu oraz jonu amonowego w procesie filtracji wcześniej natlenionej wody. Praktyka pokazuje, że projekty zakładów uzdatniających wodę o podobnym nawet składzie różnią się między sobą znacznie, szczególnie co do przyjętych wysokości złóż filtracyjnych czy stopni filtracji. Wydzielanie drugiego stopnia uzdatniania nie zawsze jest konieczne – można nawet zaryzykować stwierdzenie, że możliwy jest dobór złoża o takiej wysokości, która pozwoli pomieścić usuwanie wszystkich wskaźników w jednostopniowym procesie. Należy jednak mieć świadomość stref usuwania poszczególnych zanieczyszczeń w filtrze i wysokości jaką zajmują poszczególne wskaźniki.

1. Wstęp

Liczne badania wykazały, że patrząc od góry złoża filtracyjnego w pierwszej kolejności usuwane jest żelazo, następnie jon amonowy, a na samym końcu mangan, przy czym usuwanie żelaza przebiega praktycznie od początku zasypania złoża do filtra, natomiast w przypadku manganu, jeśli złoże nie ma własności katalitycznych – wymagany jest czas wpracowania, zależy głównie od zawartości manganu w wodzie surowej (im więcej manganu zawiera woda, tym krótszy czas wpracowania). Jon amonowy, bez względu na rodzaj złoża wymaga rozwoju bakterii nitryfikacyjnych, zaś obserwowane czasy wpracowania wskazują, że proces ten może wynosić nawet 3÷4 miesiące (a w niektórych przypadkach jeszcze dłużej).

W tym kontekście zasadnym wydaje się być poszukiwanie rozwiązań technologicznych, które będą usprawniały powyższe procesy, tj. skracały czasy wpracowania oraz zapewniały możliwość usuwania wszystkich wskaźników na możliwie najniższym złożu – w tym filtracji na jednym stopniu.

Materiałem filtracyjnym, którego właściwości wydają się być bardzo korzystne z punktu widzenia usuwania wymienionych powyżej wskaźników jest keramzyt. Jego wysoka porowatość daje szanse na skuteczne i szybkie wpracowanie filtrów do usuwania jonu amonowego. Struktura ziaren natomiast umożliwia odfiltrowanie dużych ilości zawiesin, co przekłada się na wysoką pojemność masową złóż i dalej na dłuższe i bardziej ekonomiczne cykle filtracyjne.

Niniejszy artykuł opisuje wyniki badań tego materiału na instalacji pilotowej zasilanej wodą podziemną, zlokalizowanej na SUW we Wrześni.

2. Informacje na temat złoża keramzytowego

Do badań wykorzystano złoże Filtralite Pure HC produkowane przez firmę Leca.

Proces wytwarzania keramzytu rozpoczyna się od wydobycia surowca – gliny – w kopalni odkrywkowej. Po odspojeniu glina transportowana jest taśmociągami do hali leżakowania, gdzie przechowywana jest od 7 do 14 dni. Przez ten okres surowiec jest osuszany. Następnym etapem produkcji keramzytu jest mechaniczne uplastycznianie, polegające na wielokrotnym rozgniataniu i rozdrabnianiu surowca, który na koniec obróbki ładowany jest do pieców rurowych. W piecach rurowych temperatura dochodzi do 1150°C w celu doprowadzenia gliny do pęcznienia i tworzenia kuleczek o porowatej strukturze wewnętrznej. Ostatnim procesem technologicznym jest studzenie i przesiewanie kruszywa przez system sit w celu rozdzielenia złoża na poszczególne frakcje [1].

Ogólnie rzecz biorąc, keramzyt ma wiele zastosowań w różnych gałęziach gospodarki, dzięki swoim właściwościom fizycznym wykorzystywany jest w m.in. w budownictwie, geotechnice, rolnictwie, ogrodnictwie oraz do uzdatniania wody pitnej, a także w systemach oczyszczania ścieków [1].

Prace nad opracowaniem odpowiedniego materiału Filtralite rozpoczęły się ponad 20 lat temu.

Testowane na instalacji badawczej złoże Filtralite Pure HC 0,8÷1,6 mm, to jedno z wielu rodzajów złóż produkowanych przez firmę Leca. Poszczególne materiały, bazujące na keramzycie, różnią się między sobą przede wszystkim gęstością i uziarnieniem. Fakt ten pozwala na skomponowanie w filtrze złoża, które będzie miało różne właściwości fizyczne w górnej i dolnej części, pozwalając m.in. na pracę takiego filtra całą objętością.

Materiał wykorzystany do badań na SUW we Wrześni (Filtralite Pure HC 0,8÷1,6 mm, fot. 1 i 2), ma następujące własności oraz skład chemiczny:

• właściwości fizyczne złoża:
• rodzaj materiału: ekspandowana glina,
• wygląd: kruszywo łamane, porowata struktura powierzchni,
• gęstość nasypowa w stanie zagęszczonym: 850 kg/m³,
• gęstość ziaren: 1700 kg/m³,
• zakres wielkości cząstek: 0,8÷1,6 mm;
• skład chemiczny złoża:
• ditlenek krzemu (SiO₂) – 63%,
• tlenek glinu(III) (Al₂O³) – 17%,
• tlenek żelaza(III) (Fe₂O³) – 7%,
• tlenek potasu (K2O) – 4%,
• tlenek wapnia (CaO) – 2%,
• tlenek sodu (Na₂O) – 2% [2].

Materiały Filtralite firmy Leca, cieszą się dużą popularnością za granicami naszego kraju. Są one wykorzystywane zarówno przy uzdatnianiu wód podziemnych, jak i powierzchniowych. Dzięki filtracji pośpiesznej z wykorzystaniem złoża Fliltralite Pure Mono–Multi obniżana jest mętność i zawartość zawiesin w wodzie w Zakładzie Uzdatniania Wody w Gäddvik w Szwecji.

Innym przykładem zastosowania materiału jest Stacja Uzdatniania Wody w Fredrikstad w Norwegii, gdzie usunięto zużyty materiał filtracyjny i zasypano filtry nowym piaskiem kwarcowym o granulacji 0,8÷1,2 mm w wysokości 0,6 m oraz zastosowano warstwę o wysokości 0,8 m złoża Filtralite Pure MC 1,5÷2,5 mm.

Stacja Produkcji Wody Tai Po w Hong Kongu (Chiny) wykorzystuje złoże Filtralite do napowietrzanych filtrów biologicznych w celu usuwania jonu amonowego i związków manganu z wody powierzchniowej, natomiast Stacja Uzdatniania Wody Thames Gateway w Wielkiej Brytanii wykorzystuje materiały Filtralite w układzie poprzedzającym instalację do odsalania wody pitnej.

Złoża keramzytowe wykorzystywane są również w procesach oczyszczania ścieków. Są one wykorzystywane m.in. w Oczyszczalni Ścieków Galapagar-Torrelodones w Hiszpanii czy Oczyszczalni ścieków w Dalian (Chiny) gdzie stosowane jest złoże Filtralite Clean.

Powyższe zastosowania stanowią zaledwie niewielki fragment listy referencyjnej zakładów stosujących keramzyt w uzdatnianiu wody czy oczyszczaniu ścieków.

3. Instalacja badawcza oraz plan badań

3.1. Instalacja badawcza

Instalacja badawcza zainstalowana została na Stacji Uzdatniania Wody należącej do PWiK Sp z o.o. we Wrześni. Składa się ona z trzech kolumn filtracyjnych wykonanych z pleksiglasu zamontowanych na aluminiowym rusztowaniu (fot. 3). Każda z kolumn posiada średnicę: dk = 0,09 m. Kolumny wyposażono w dziesięć kurków probierczych rozmieszczonych co 20 cm, licząc od dołu kolumny oraz w tyle samo piezometrów, pozwalających na ciągły pomiar ciśnienia hydrostatycznego panującego na różnych głębokościach złoża. Regulacja prędkości filtracji i utrzymanie stałej wartości przez cały cykl filtracyjny jest możliwe dzięki urządzeniu pływakowemu zamontowanemu na odpływie. Filtracja prowadzona jest z prędkością odpowiednio: 6, 9 i 12 m/h.

Celem utrzymania stałego słupa wody nad złożem, w części górnej każdej z kolumn filtracyjnych zamontowano przelewy.

Kolumny filtracyjne zasypano złożem keramzytowym Filtralite Pure Pure HC 0,8÷1,6 mm o wysokości 1,7 m, spoczywającym na żwirowej warstwie podtrzymującej. We wszystkich przypadkach nad złożem znajduje się słup wody o wysokości 1,1 m.

Instalacja badawcza zasilana jest wodą głębinową, ujmowaną z utworów trzeciorzędowych. Surowiec cechuje się przekroczeniem norm dotyczących takich parametrów, jak: żelazo, mangan oraz jon amonowy.

3.2. Plan badań

Zgodnie z założonym planem, badania na instalacji doświadczalnej prowadzone były w cyklach 7-dobowych. Podczas cykli filtracyjnych ciągłej kontroli podlegały parametry:

• stężenie żelaza, badane z częstotliwością 5 razy na tydzień w wodzie surowej i uzdatnionej oraz na głębokości złoża z częstotliwością 2 razy na tydzień;
• stężenie jonu amonowego, badane z częstotliwością 5 razy na tydzień w wodzie surowej i uzdatnionej oraz na głębokości złoża z częstotliwością 2 razy na tydzień;
• stężenie manganu, badane z częstotliwością 5 razy na tydzień w wodzie surowej i uzdatnionej oraz na głębokości złoża z częstotliwością 2 razy na tydzień;
• ciśnienie hydrostatyczne, odczyt 2 razy dziennie na głębokości złoża;
• mętność, barwa, tlen, odczyn – w wodzie surowej i uzdatnionej.

Po zakończeniu każdego cyklu filtracyjnego kolumny płukane były wodą oraz powietrzem.

4. Wyniki badań na złożu Filtralite Pure HC 0,8÷1,6 mm

Na wykresach (rys. 1-3) zaprezentowano wyniki usuwania żelaza, manganu oraz jonu amonowego z wody przy każdej z badanych prędkości filtracji, przez cały okres badań.

Jak wynika z wykresów:

• złoże od samego początku, bez względu na prędkość filtracji, usuwało żelazo z wody surowej;
• stężenie tego wskaźnika, nawet przy prędkości filtracji 12 m/h nie przekraczało 0,05 mg/l w wodzie uzdatnionej;
• mangan w początkowej fazie procesu filtracji był obniżany o ok. 30% (co wiąże się prawdopodobnie z jego sorpcją na wytrąconych tlenkach żelaza);
• najwcześniej proces wpracowania do usuwania manganu można było zauważyć na kolumnie pracującej z prędkością 6,0 m/h – nastąpiło to po ok 85 dniach ciągłej filtracji;
• kolejną kolumną, na której nastąpiło wpracowanie, była kolumna pracująca z prędkością 9,0 m/h – tutaj norma została osiągnięta po ok. 100 dniach ciągłej filtracji;
• przewidziany czas na badania nie wystarczył na wpracowanie kolumny z prędkością 12 m/h, aczkolwiek, również tutaj daje się zauważyć wyraźny trend malejący stężenia manganu w wodzie uzdatnionej;
• największym zaskoczeniem był czas wpracowania do usuwania jonu amonowego – bez względu na prędkość filtracji, jeśli przyjąć za punkt wpracowania moment osiągnięcia stężenia jonu amonowego w wodzie uzdatnionej bliskiego „0” – czas ten wyniósł niespełna 30 dni;
• stężenie jonu amonowego na tym poziomie utrzymywało się już do końca badań.

Celem określenia wysokości strefy odżelaziania, odmanganiania oraz usuwania jonu amonowego, prowadzono pomiary wartości tych wskaźników na różnych wysokościach złoża filtracyjnego. Badania prowadzono systematycznie, kilkukrotnie w każdym cyklu filtracyjnym, natomiast na wykresie (rys. 4) przedstawiono wybrany cykl, z naniesionymi wszystkimi strefami:

• usuwania żelaza (rozumianej jako strefę w której poziom żelaza osiąga wartość zgodną z normą – 200 μg/l);
• usuwania manganu (strefa, w której poziom manganu osiąga wartość zgodną z normą – 50 μg/l);
• usuwania jonu amonowego (wartość jonu amonowego osiąga poziom zgodny z normą – 0,5 mg/l).

Jak wynika z wykresu (rys. 4):

• strefa usuwania żelaza (przy prędkości 6,0 m/h) zajmowała zaledwie 30,0 cm wysokości złoża filtracyjnego;
• strefa usuwania jonu amonowego (liczona jako poziom bliski 0,0 mg/l jonu amonowego) wyniosła jedynie 50,0 cm, a liczona jako punkt osiągnięcia normy – ok. 10,0 cm;
• strefa usuwania manganu – który znajdował się jeszcze w fazie wpracowania – rozciągnięta była na całej wysokości złoża filtracyjnego, przy czym ulegała w dalszych cyklach wyraźnemu skróceniu.

Tym samym, na jednowarstwowym złożu filtracyjnym możliwe było zatrzymanie wszystkich wymienionych wskaźników. Jednocześnie zaobserwowano następujące trendy w kształtowaniu się tych stref:

• wszystkie strefy ulegały skróceniu w miarę upływu czasu pracy złoża w badaniach;
• strefa usuwania manganu ulega skróceniu niejako „od dołu” złoża filtracyjnego – czyli innymi słowy w pierwszej kolejności zajmuje całą wysokość materiału, a następnie w miarę upływu kolejnych cykli migruje ku górze;
• strefa usuwania jonu amonowego niemal od początku lokuje się w górnej części złoża (wpracowanie „od góry”) – co stanowiło niemałe zaskoczenie, dając tym samym znaczną rezerwę technologiczną na usuwanie tego wskaźnika;
• przeliczając wysokość strefy na czas kontaktu wody ze złożem – w przypadku jonu amonowego wyniósł on niespełna 3 min (!) przy prędkości 12,0 m/h.

Tym samym można stwierdzić, że wysoka porowatość tego materiału umożliwiła skuteczne, szybkie i intensywne wpracowanie filtra bakteriami nitryfikacyjnymi, co stanowi istotną właściwość keramzytu.

Dla każdego z cykli filtracyjnych wyznaczono pojemność masową, co zaprezentowano w tab. 1 oraz na wykresie na rys. 5.

Jak wynika z zaprezentowanych danych, pojemności masowe kształtowały się następująco:

• dla 6,0 m/h – uzyskaną pojemność masową limitowała przyjęta długość cyklu filtracyjnego, tj. 7 dni – filtr nie osiągał maksymalnych oporów, teoretycznie mógł pracować jeszcze dłużej;
• dla 9,0 m/h – uzyskiwano pojemności bliskie maksymalnym przy dyspozycyjnym naporze słupa wody – wynosiły one ok. 2500,0÷3000,0 g/m2;
• dla 12,0 m/h – w początkowej fazie pracy złoża uzyskiwano najwyższe pojemności masowe, dochodzące do 4 000 g/m2, w drugiej fazie badań, z uwagi na problemy techniczne z kolmatacją drenażu tej kolumny, długości cykli filtracyjnych spadły (wskutek niewspółmiernego do ilości wyfiltrowanej zawiesiny przyrostu oporów hydraulicznych).

Dla najbardziej miarodajnej kolumny (pracującej z prędkością 9,0 m/h) zaprezentowano na wykresie na rys. 6 przyrost oporów hydraulicznych w miarę odfiltrowywania żelaza (przeliczonego na pojemność masową).

Jak wynika z przedstawionego wykresu, pojemność 2500,0 g/m2 średnio uzyskiwana była przy zaledwie 200,0 cm oporów hydraulicznych – co stanowi bardzo dobry wynik, przy czym były również cykle, które przy 200 cm oporów pozwalały na uzyskanie ok 3 000 g/m2 pojemności masowej.

Tym samym można stwierdzić, że uzyskiwane pojemności masowe stawiają złoże keramzytowe wśród materiałów wysoko pojemnych.

5. Wnioski

Podsumowując, badania przeprowadzone w uzdatnianiu wód podziemnych na złożu keramzytowym Filtralite Pure HC produkowanym przez firmę Leca potwierdziły jego wysoką przydatność w uzdatnianiu wód podziemnych. Wykazano m.in.:

• bardzo korzystne efekty usuwania żelaza, dla każdej prędkości filtracji;
• stosunkowo krótkie (trwające niewiele ponad 2 miesiące) wpracowanie do usuwania manganu – przy prędkości 6,0 m/h;
• bardzo efektywne i szybkie wpracowanie do usuwania jonu amonowego, przy niskiej strefie usuwania tego wskaźnika z wody;
• wysoko pojemne cykle filtracyjne.

Szczególnie cennych informacji dostarczył proces wpracowania do usuwania jonu amonowego. Wspomniany, bardzo krótki, czas aktywacji złoża to jedno, ale należy podkreślić, że złoże wpracowało się dla każdej z badanych prędkości filtracji (w tym 12 m/h), zaś ukształtowana strefa usuwania jonu amonowego wyniosła zaledwie 50 cm, co przekłada się na czas kontaktu wynoszący niespełna 3 min (przy najwyższej z badanych prędkości).

Kolejną wymagającą podkreślenia własnością był fakt wykorzystania jednowarstwowego złoża do usunięcia wszystkich wskaźników, co również niesie ze sobą niewątpliwe korzyści technologiczne.

W kolejnym artykule zostaną opisane zagadnienia związane z płukaniem tego materiału filtracyjnego. Należy w tym miejscu podkreślić fakt, iż keramzyt, jako złoże bardzo lekkie, również w tym zakresie wykazuje właściwości bardzo korzystne z technologicznego punktu widzenia, uzyskując wysoką ekspansję przy niskich intensywnościach płukania, co w realny sposób przekłada się na oszczędności w ilości wody wykorzystanej do tego celu.

6. Literatura

[1] www.leca.pl

[2] www.filtralite.com

dr inż. Łukasz Weber, mgr inż. Michalina Jędraszak – Nentech

źródło: Technologia Wody 3/2019

…

Polecamy publikacje uzupełniające artykuł