Nová linka ozonizace na ÚV Želivka Ing. Petra Báťková, Ing. Radka Hušková, Ing. Petr Pěkný, Libor Rambousek, Ing. Miloslav Dryml Pražské vodovody a kanalizace, a.s., Pařížská 11, 110 00, Praha 1 petra.batkova@pvk.cz, radka.huskova@pvk.cz, petr.pekny@pvk.cz, libor.rambousek@pvk.cz, miloslav.dryml@pvk.cz Abstrakt Hygienické zabezpečení pitné vody na ÚV Želivka bylo od roku 1991 doplněno linkou ozonizace s technologií od francouzské firmy Trailigaz, kde byl ozon vyráběn ze vzduchu a vnášen do upravované vody pomocí barbotážní vestavby. Během podzimu roku 2009 byla tato linka nahrazena novým generátorem ozonu od firmy ITT Wedeco, kde je mediem pro výrobu ozonu kyslík a směšování vyrobeného ozonu s upravovanou vodou je realizováno pomocí kombinace statických mísičů Gas Dispersion System (GDS) od firmy Statiflo. Důvodem rekonstrukce byl celkový nevyhovující stav linky ozonizace, její častá poruchovost a v neposlední řadě nízká účinnost procesu ozonizace. Na jaře roku 2010 byla nová linka ozonizace odzkoušena v rámci komplexních zkoušek. Obsahem příspěvku je porovnání původní a stávající technologie ozonizace, úloha vlastníka a provozovatele při přípravě a vlastní rekonstrukci ozonizace, zkušenosti z komplexních zkoušek a z následného provozování. Z provedených analýz je již nyní patrný významný vliv nové technologie na zlepšování kvality pitné vody, provozní komfort a ekonomiku procesu. Abstract Sanitation of drinking water from WTP Želivka has been provided since 1991 by the process of ozonization. The supplier of the original technology was French company Trailigaz. Ozone was developed in ozonizer from dry air and was inserted into treated water through pressure-suppression system. During the autumn in 2009 the original technology of ozonization was changed and new ozonization system has been installed by contractor ITT Wedeco. The new ozonization system is based on developing the ozone from oxygen and then injecting it into the flow of treated water by Gas Dispersion System (GDS). The reason for reconstruction was low efficiency of the process and high rate of failures. The new ozonization technology was tested in the spring 2010. The content of this article is focused on comparison of the old and the new ozonization technology, the role of the owner and the position of the operator during the process of project preparation and reconstructions, further more first experience from the testing and running new ozonizer. Carried out analyses have already now proved a significant influence of the new technology on improving the quality of drinking water and on both the operational comfort and the economy of the process. 1. Původní linka ozonizace Výroba ozonu: atmosférický vzduch byl nasáván z prostoru strojovny a dopravován přes vodní a strojní chlazení a sušičku do ozonizační stanice o výkonu 36 kg O 3 /h, kde působením elektrického výboje se část kyslíku ze vzduchu měnila na ozon. Sycení vody ozonem: filtrovaná voda byla vedena do tří směšovacích nádrží, každá dimenzována na průtok vody od 0,5 do 2,47 m 3 /s. Nádrže byly rozděleny přelivnými 77
přepážkami a nornými stěnami na dvě směšovací komory, první s protiproudým prouděním vody a ozonu a druhá se souproudovým prouděním obou medií. Za směšovacími komorami byla reakční nádrž, kde docházelo k doběhnutí reakce působení ozonu. Tento prostor byl uzavřen nornou stěnou před přelivem, aby se uvolněný ozon nad hladinou vody nedostal mimo prostor směšovacích nádrží. Do směšovacích komor každé směšovací nádrže byl přiváděn ozon s průměrnou koncentrací ozonu 10 g O 3 /Nm 3 v množství, které odpovídá potřebné dávce 1,3 až 2,6 g O 3 /m 3 vody. Ozon stále pod tlakem dmychadla byl vháněn do směšovacích komor pomocí 477 porézních disků umístěných u dna a probublával vrstvou vody. Tento vzduch byl nasáván a veden do termických destruktorů s rekuperací tepla, kde se zbytkový ozon měnil na kyslík a vzduch zbavený ozonu byl odváděn komínem nad střechu. Dodavatel: Ozonizační zařízení bylo uvedeno do provozu v roce 1991 a pocházelo od francouzské firmy TRAILIGAZ. Řízení provozu ozonizační stanice bylo zcela automatické a bylo zajišťováno mikropočítačem. Problémy a nedostatky: Častá a nesnadno opravitelná poruchovost snižovala provozní spolehlivost ozonizace Směšovací keramické difuzory - musely být často demontovány z důvodu popraskání, v některých nádržích musely být dokonce demontovány a vývody zaslepeny Hlavice - vizuálně zbarveny železem (vysoce korozivní prostředí), při zkoušce průchodnosti vzduchu ve vodní lázni byla větší část plochy neprůchodná Nedokonalé směšování ozonu s vodou - nižší a rozdílná účinnost přestupu ozonu do vody (60-65%) v jednotlivých nádržích Nezreagovaný ozon rozpuštěný ve vodě - vlivem vodního skoku v regulačním vodojemu se uvolňoval do ovzduší vodojemu a způsoboval korozi veškerého zařízení a občas při nutném navýšení dávky ozonu z důvodu kvality výsledné vody docházelo k překročení koncentračních limitů pro pohyb pracovníků v objektu regulačního vodojemu. Byl stanoven zvláštní režim z pohledu bezpečnosti. Špatná hydraulika vymíracích nádrží - zkratové proudění. Tento stav trval od počátku provozování ozonizace a problém směšovacích hlavic zmíněný stav prohluboval (hydraulikou proudění se zabývala i fa. Trailigaz). Nedokonalá homogenizace způsobovala kolísání hodnot zbytkového ozonu v protiproudu i v souproudu, které mají vliv i na regulační smyčku automatického řízení. Dalším možným negativním důsledkem nedokonalé homogenizace ozonu ve vodě mohl být občasný průchod živých organismů. Obr. 1: zanesené keramické difuzory 78
2. Zvažované možnosti nové ozonizační linky Poruchovost původní ozonizační linky a nemožnost udržovat i v rámci četných oprav její bezproblémový chod vyústily na konci roku 2002 v diskusi mezi vlastníkem a provozovatelem ÚV Želivka nad řešením situace. Následně zadala Pražská vodohospodářská společnost a.s. (PVS) pověřená vlastníkem ÚV Želivka (Úpravna vody Želivka, a.s.) zpracovat nezávislý technologický audit ÚV Želivka. Audit garantoval Hydroprojekt CZ, a.s. Výstupem z auditu na konci roku 2004 bylo mimo jiné posouzení stávající (původní) ozonizace z hlediska chemickotechnologického, provozního, stavebního, strojně technologického a celkového stavu. Součástí výstupu z auditu byl i návrh optimalizace resp. řešení. Jednoznačně vyplynulo, že ozonizace jako technologický stupeň je na ÚV Želivka nezbytná a stávající stav linky ozonizace vyžaduje v co možná nejkratším termínu její rekonstrukci. Z auditu se také potvrdil názor provozovatele, že ozonizace je provozována bez zálohy a byla doporučena hlavní zásada řešení - umístění 2 výrobních linek ozonu. Byla stanovena průměrná spotřeba ozonu 16 kg/hod a dále bylo navrhováno osazení dvou ozonizátorů s výkonem 2x16 kg O 3 /h ve variantním řešení: 1. Ke stávající ozonizaci doplnit v první etapě novou linku pro výrobu O 3 a provozovat jak stávající tak nové zařízení. Toto řešení již předurčovalo zachovat princip výroby ozonu ze vzduchu. 2. Odstavit stávající linku ozonizace a osadit dvě linky nové. Tato varianta se pak uvažovala A) pro výrobu ozonu ze vzduchu, B) pro výrobu ozonu z kyslíku. Obě varianty měly svoje negativa i pozitiva. Nad způsobem řešení probíhala jednání za přítomnosti vlastníka, PVS, provozovatele (PVK) a přizvaných odborníků včetně zástupců hygieny. Nemalou roli při jednáních a výběru řešení sehrála finanční otázka, zejména zbývající odpisová položka původní linky ozonizace. V květnu 2006 zpracoval Hydroprojekt Technicko-ekonomickou studii Rekonstrukce ozonizace. Tato studie byla po dohodě účastníků jednání rozpracována v 5-ti variantách: Varianta 1 - návrh jedné nové linky výroby ozonu ze vzduchu o výkonu 16 kg/hod ozonu. Směšování barbotáží. Po šesti letech - výměna stávající linky TRAILIGAZ za druhou linku o výkonu 16 kg ozonu za hodinu. Varianta 2 - zrušení současné linky výroby ozonu a návrh dvou linek o výkonu 2x16 kg/hod ozonu ze vzduchu. Směšování barbotáží. Varianta 3 - zrušení současné linky výroby ozonu a návrh dvou linek o výkonu 2x16 kg/hod ozonu z dovezeného kyslíku. Směšování barbotáží. Varianta 4 - zrušení současné linky výroby ozonu a návrh dvou linek o výkonu 2x16 kg/hod ozonu z dovezeného kyslíku. Směšování statickým směšovačem. Varianta 5 - návrh jedné nové linky výroby ozonu z kyslíku o výkonu 16 kg/hod ozonu, směšování statickým směšovačem v jedné nádrži. Po šesti letech provozu - výměna stávající linky TRAILIGAZ za druhou linku o výkonu 16 kg/hod ozonu. Uvedené varianty byly částečně technicky navrženy již v průběhu zpracování studie, aby mohlo dojít ke konkrétnímu posouzení. Pro uvedené varianty rozpracovala firma DISA v.o.s., která v ČR zastupuje zahraniční firmy v oblasti úpravy a dezinfekce vody, ve spolupráci se společností Hydroprojekt CZ, a.s. několik variantních řešení, které splňují jak výše uvedené požadavky, tak reagují na současné trendy v oblasti ozonizačních technologií. Jednotlivé varianty zahrnovaly kromě různých počtů a typů ozonových generátorů i současné technické možnosti provedení ozonizačního systému. Jednalo se zejména 79
o 3 možné varianty pracovního plynu vzduch, kapalný kyslík ze zásobníku, plynný kyslík vyrobený na místě. Další součást ozonizační stanice, která nabízela variantní řešení, byl způsob vnosu ozonu do vody. Zde byl zvažován barbotážní způsob a tzv. GDS (Gas Dispersion System), který využívá spolupráce statických mísičů a injektoru k dosažení maximální účinnosti. Jednotlivé varianty a jejich detailnější posouzení jsou předmětem jiné přednášky této konference (Rekonstrukce ozonizace na ÚV Želivka projektová příprava). Obr. 2: Princip GDS od firmy Statiflo PVK upřednostnily zajištění kyslíku pro výrobu ozonu dovozem kapalného kyslíku a uskladnění ve venkovních zásobnících. Na obě alternativy zajištění kyslíku pro výrobu ozonu (výroba O 2 na místě vs. dovoz kapalného O 2 a uskladnění) musela být zpracována Analýza a hodnocení rizika z pohledu prevence závažných havárií a možných synergických účinků skladovaného kyslíku. Výstupem Analýzy bylo zjištění, že dovoz a skladování kapalného O 2 je možné. Z pohledu vnosu ozonu do vody byl nakonec vybrán GDS, o čemž rozhodla vysoká garantovaná účinnost využití ozonu min. 95 % a jeho snadná údržba. Současně byla odsouhlasena koncepce 100 % zálohy, tj. 2 x 16 kg O 3 /h, pro zajištění maximální spolehlivosti ozonizačního procesu. V roce 2007 tak bylo nastíněno zvolené technické řešení rekonstrukce ozonizace, následovalo zadání a výběr zhotovitele. Zhotovitelem rekonstrukce ozonizace byla vybrána firma ARCO TECHNOLOGY a.s., která měla dodavatele technologické části ozonizace firmu DISA v.o.s. 3. Nová linka ozonizace realizace Realizace rekonstrukce ozonizace byla sledována v rámci výrobních výborů a kontrolních dnů za účasti všech dotčených osob. V létě roku 2009 byla odstavena z provozu původní linka ozonizace a do konce roku 2009 probíhaly rekonstrukční práce. V lednu 2010 byla nová technologie uvedena do provozu. Výroba ozonu: Ozon je vyráběn z kyslíku, který je skladován ve venkovním zásobníku dodavatel kyslíku je firma Linde Gas, a.s. Na úpravně vody jsou osazeny dvě linky pro výrobu ozonu o výkonu 2x16 kg O 3 /hod při koncentraci ozonu ve výstupním plynu 179 g/nm 3 (12 % hm.) Sycení vody ozonem: Filtrovaná voda je vedena potrubím do tří směšovacích nádrží. Každá směšovací nádrž je dimenzována na průtok 0,5 až 2,47 m 3 /s. Nádrže jsou rozděleny přelivnými přepážkami a nornými stěnami na tři komory a reakční nádrž. V první (tzv. napouštěcí) komoře je umístěno směšování ozonu s vodou. Zbylé dvě komory jsou součástí reakční nádrže. Pro směšování ozonu s vodou jsou u každé směšovací nádrže umístěny dva systémy GDS. Z přítokového potrubí DN 1200 je 80
odebírán čerpadlem dílčí proud vody, který je veden přes injektor ozonu. V injektoru je do vody přisávána směs ozonu s kyslíkem. Vzniklá směs vody a plynu je vedena přes předdisperzní statický mísič do směšovací nádrže. Přiváděné množství ozonu do první komory je regulováno od zbytkového ozonu v reakční nádrži od 0,7 až 2 g O 3 /m 3 vody. Průměrná dávka ozonu se pohybuje okolo 1,2 g/m 3. Vzduch nad hladinou s obsahem ozonu je nasáván do katalytických destruktorů s předehříváním, kde dochází k přeměně zbytků O 3 na kyslík. U destruktoru je sledováno množství a koncentrace ozonu na vstupu i výstupu. Vzduch zbavený ozonu je odváděn komínem nad střechu. Vzhledem k toxicitě ozonu, jsou ve všech prostorách ozonizace rozmístěna čidla pro signalizaci překročení povolené koncentrace ozonu ve vzduchu a z toho odvozeno hlášení havarijního stavu. Hygienicky přípustná koncentrace ozonu v ovzduší je 0,1 ppm v (V/V) resp. 0,2 mg O 3 /m 3 vzduchu. Dodavatel technologické části: dodavatelem technologie nové linky ozonizace je firma DISA v.o.s., která je výhradním obchodním zastupitelem těchto firem pro Českou a Slovenskou republiku. Byly dodány ozonizátory od německé firmy ITT WEDECO a technologie statických směšovačů GDS od britské firmy Statiflo International. Dodavatelem kyslíku je firma Linde Gas, a.s. Systém pro generování ozonu je řízen a sledován vnitřním programovatelným systémem s ovládacím panelem, který umožňuje i případné ruční ovládání a komunikuje s řídicím systémem úpravny vody, dle požadavků na výrobu ozonu. Obr. 3: Nová linka ozonizace na ÚV Želivka 4. Komplexní zkoušky porovnání původní a stávající linky ozonizace První část komplexních zkoušek proběhla koncem jara 2010. Cílem bylo ověřit účinnost nové technologie v rámci výkonových parametrů různé varianty provozu, provozování v optimálním režimu, a kvality upravované vody. Během provádění laboratorních testů se kvalita surové vody výrazně zlepšila, a proto nebylo možné prověřit významné parametry, jako je např. odstraňování fytoplanktonu (rozsivky, bičíkaté řasy). Proto je druhá část komplexních zkoušek naplánována na začátek jarního období v roce 2011, kdy začíná jarní oživení nádrže a lze sledovat vliv na vybrané parametry i na základě změn dávek ozonu. 81
5. Výsledky měření Graf č. 1 Graf č. 2 Odstraňování pesticidních látek - duben 2010 80,0 suma pesticidních látek (ng/l) 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 71,3 48,3 46,7 suma pesticidních látek Lineární (suma pesticidních látek) 43,1 38,2 20,4 0,0 sf 0,2 0,3 0,4 0,5 >1,0 zbytkový ozon v souproudu (mg/l) Graf č. 3 82
Procenta odstranění Terbuthylazinu novou linkou ozonizace % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11 2010 Graf č. 4 Graf č. 3. znázorňující odstraňování pesticidních, je výsledkem testů, které byly prováděny v rámci provozu, kdy byla prověřována minimální a maximální dávka ozonu. První bod na ose x zde znázorňuje koncentraci pesticidních látek v profilu suma filtrátu (sf), před ozonizací. Další body představují koncentraci zbytkového ozonu v profilu za ozonizací a k nim jsou vynesené příslušné koncentrace na ose y. Měření probíhalo v krátkém časovém úseku, kdy lze považovat vstupní parametry surové vody za konstantní. Poslední graf znázorňuje odstranění pesticidu Terbuthylazinu, který se vyskytuje v sumě pesticidních látek v nejvyšší koncentraci. Provozovatel ÚV Želivka si je vědom toho, že optimálním řešením by byla kombinace ozonizace s filtrací přes aktivní uhlí, ale to v současné době na ÚV Želivka z hydraulických důvodů realizovat nelze. Proto důsledně využíváme ozonizaci v max. možné dávce ozónu ke snížení všech kritických parametrů surové vody. Měření účinnosti vnosu ozonu do vody Účinnost vnosu vychází z bilance hmotnostních toků. Kontinuálně se porovnává množství vyrobeného ozonu a zbytkového ozonu vstupujícího do destruktorů. Množství vyrobeného ozonu je kalkulováno z koncentrace ozonu v kyslíku a průtoku výstupního plynu z generátoru ozonu. Množství zbylého ozonu je kalkulováno z koncentrace ozonu v plynu před vstupem do destruktoru a průtokem plynu, který do destruktoru vstupuje. Lze konstatovat, že za všech provozních podmínek testovaných v rámci komplexních zkoušek byla dodržena dodavatelem garantovaná hodnota min. 95% využití ozonu. Na základě dosavadního ročního provozu byla zjištěná průměrná účinnost využití ozonu 98,5 %. Porovnání ekonomiky provozu Byla provedena analýza provozních nákladů staré linky Trailigaz a současné ozonizace WEDECO. Lze konstatovat, že se současnou technologií jsou specifické provozní náklady na výrobu 1 kg ozonu méně než poloviční ve srovnání s původní technologií Trailigaz. 83
7. Závěr Vyhodnocení komplexních zkoušek uvádíme na příkladu snížení hodnoty A 254 a CHSK Mn, kdy je vzájemně porovnána upravovaná voda v profilu suma filtrátu a voda po ozonizaci. Porovnání je provedeno při provozu staré linky v dubnu roku 2009 a následně pak nové linky v dubnu roku 2010. Z grafů je zcela jasně patrný výrazně lepší účinek snížení zmíněných parametrů při stejné dávce ozonu. Účinnost nové linky ozonizace v případě snížení hodnoty A 254 byla o cca 16 % vyšší v porovnání s původní linkou. V případě odstranění CHSK Mn bylo dosaženo cca 15,5 % zlepšení. V komplexních zkouškách jsme se dále zaměřili pro porovnání účinnosti odstranění vybraných parametrů v závislosti na různé hodnotě zbytkového ozonu v souproudu (znázorněno v posledních dvou grafech). Je patrné, že pesticidní látky reagují na změnu dávky ozonu téměř lineárně a stávající ozonizace je schopna zajistit jejich redukci o více než 70 %. Výsledky uvedené v tomto článku jsou první částí komplexních zkoušek provedených v rámci nové technologie ozonizace na ÚV Želivka. Na podzim roku 2010 došlo z důvodu předpovodňových a povodňových stavů k preventivnímu masivnímu odpouštění vody z nádrže Švihov. Tato skutečnost se odrazila ve změně v kvality surové vody, došlo k narušení obvyklého proudění v nádrži, které je spojené se samočisticím procesem. Provozovatel zaznamenal téměř skokový nárůst některých parametrů, zejména A 254, huminové látky, zákal. Při zvýšení dávky ozónu u vody tohoto charakteru dochází i k některým negativním dopadům. Organické složky vody jsou destruovány na fragmenty, které přispívají k nárůstu BDOC, DOC a prekursorů THM v upravené vodě. Je to logický důsledek vysoce účinné ozonizace, která je aplikována po jednostupňové úpravě vody z nádrže bez další filtrace přes aktivní uhlí. Současné uspořádání ÚV Želivka takové doplnění technologie nedovoluje. To by bylo předmětem rozsáhlejší rekonstrukce. V průběhu jara (březen-květen) 2011 bude provedena další sada měření se zaměřením zejména na odstranění mikrobiálního znečištění. Z prvních výsledků je ale už dnes patrné výrazné zlepšení a přínos celé rekonstrukce. Jedním z významných přínosů je vysoká účinnost procesu ozonizace a s tím související dopad na kvalitu vyrobené vody. Těchto výsledků je dosahováno zejména díky kvalitnímu směšování s vysokou účinností (cca 98 99 %) a modernímu způsobu výroby ozonu, čehož přirozeným důsledkem je i výrazné snížení provozních nákladů. Vzhledem k důkladné přípravě celého projektu a dobré spolupráci vlastníka, provozovatele, projektanta, zhotovitele celé stavby a dodavatele zařízení pro ozonizaci byly v roce 2009 a 2010 úspěšně uvedeny do provozu dvě nové linky pro výrobu ozonu a kompletní systém pro vnos ozonu do vody (GDS). Lze konstatovat, že se podařilo navrhnout a realizovat maximálně spolehlivou koncepci schopnou splnit přísné požadavky provozovatele v širokém spektru provozních stavů. Z výsledků testů je již dnes patrné výrazné zlepšení a přínos celé rekonstrukce ozonizace. Jedním z významných přínosů je vysoká účinnost procesu ozonizace a s tím související dopad na kvalitu vyrobené vody a ekonomiku provozu. Za klíčové PVK považuje, že došlo ke komplexní výměně technologie ozonizace a k odpovídajícím stavebním úpravám na úrovni současných technických poznatků a byly realizovány dvě linky ozonizace, tedy 100% záloha technologie. Provozovatel děkuje touto cestou všem, kteří se na přípravě a realizaci rekonstrukce ozonizace ÚV Želivka podíleli. 84