Možnosti zlepšení provozu úpraven vody optimalizací dávky koagulantu a ph doc. Ing. Petr Dolejš, CSc. 1,2 1 W&ET Team, Box 27, Písecká 2, 370 11 České Budějovice 2 FCh VUT, Brno ÚVOD Vlastnosti a množství znečišťujících látek, které chceme při úpravě pitné vody odstranit, jsou z hlediska úpravy vody "nezávisle proměnné", kterým se musíme zvolenými procesy a jejich provozními podmínkami přizpůsobit. U povrchových vod je kvalita surové vody výslednicí složitých přírodních dějů a lidského hospodaření v povodí každého zdroje. Vodárenský technolog má k dispozici sice teoreticky pestrou, avšak v praxi dosti zúženou škálu prvků, jejichž použitím, vzájemným uspořádáním a provozními podmínkami hledá cestu k dosažení požadované kvality upravené vody i ekonomiky provozu technologické linky úpravny. Tyto prvky jsou vlastně "závisle proměnnými" na již zmíněné proměnné kvalitě surové vody, která na úpravnu přitéká. Mezi nejdůležitější (a někdy jediné v praxi použitelné) patří dávky chemikálií, především koagulantu a někdy též pomocných chemikálií např. na předúpravu ph. DESTABILIZACE, KOAGULACE A AGREGACE SUSPENZE Nutnou podmínkou pro to, aby bylo možno účinně odstraňovat nežádoucí rozpuštěné a suspendované látky z vody vodárensky nejschůdnějšími separačními postupy (flotací, sedimentací, vločkovým mrakem či filtrací vrstvou zrnitého materiálu), je porušení jejich agregátní (termodynamické) stability. Neplatí to pouze ve speciálních případech úpravy vody některými membránovými procesy. Agregátně stabilní molekuly nebo částice nemění s časem svůj stupeň disperzity. Agregátně stabilní látky se i proto uvedenými procesy separují jen s velmi nízkou účinností, většinou zcela nedostatečnou pro potřeby úpravy vody. Naproti tomu agregátně labilní molekuly nebo částice mají tendenci se při vzájemné srážce či kontaktu s vhodným povrchem spojovat a tím je pak umožněna jejich separace. Studium a optimalizace metod destabilizace částic a molekul je proto pro technologii úpravy vody klíčovou otázkou. Lze ve zkratce říci, že pokud není destabilizace dobře provedena, jsou veškeré separační procesy paralyzovány a účinnost separačních stupňů je daleko od jejich potenciálních možností. Znamená to, že pokud destabilizaci suspenzí provedeme nedbale, mimo vhodné chemické podmínky pro následnou agregaci suspenze, ztrácíme tak nejenom separační účinnost dosažitelnou v separačních stupních, které máme k dispozici, ale z ekonomického hlediska tak vlastně znehodnocujeme celou investici do technologické linky úpravy. Bylo by možné se pak ptát, proč jsme s relativně velkými investičními náklady realizovali něco, co vlastně (jen vinou nesprávné dávky) dostatečně nevyužíváme? Koagulace (agregace) je výsledkem vzájemných srážek destabilizovaných molekul nebo částic. Rychlost tohoto procesu je závislá na: frekvenci, s jakou přicházejí částice do vzájemného kontaktu (počet srážek za časovou jednotku) agregátní stabilitě jednotlivých částic nebo molekul. 91
Frekvence srážek odpovídá transportním mechanismům, které působí v kapalině a je určována fyzikálními vlastnostmi vodního prostředí (teplotou, viskozitou, prouděním atp.) a gravitací, působící na částice. Agregátní stabilita, vyjadřující pravděpodobnost, že při srážce dojde ke spojení částic, je označována jako tzv. "koeficient kolizní účinnosti" nebo také "faktor stability" [1]. Je to poměr mezi srážkami, které vedou ke spojení a celkovým počtem srážek mezi částicemi v daném systému. Má-li koeficient hodnotu nula, žádná ze srážek nevede ke spojení, má-li hodnotu jedna, výsledkem každé srážky je spojení do agregátu. S prohlubující se destabilizací roste tedy hodnota koeficientu kolizní účinnosti ve směru od nuly k jedné. Agregátní stabilita je ovlivňována především chemickými vlastnostmi vodního prostředí a povrchovými vlastnostmi částic nebo reaktivitou molekul. Právě proto je nezbytné se jí věnovat. Jedinou cestou k tomu je optimalizace chemismu koagulace a agregace. Na úpravnách, které jsou založeny na agregaci a následné separaci nečistot, by mělo být jedním z hlavních provozních úkolů technologa správné nastavení chemismu koagulace. EXPERIMENTÁLNÍ STANOVENÍ OPTIMÁLNÍCH DÁVEK A ph V literatuře je možné najít řadu vzorců pro výpočet optimální dávky. O jejich velmi omezené použitelnosti, až nebezpečné zrádnosti se přesvědčila zřejmě většina z nás, takže je jasné, že se na ně v praxi spoléhat vůbec nemůžeme. Podle toho nejčastěji uváděného pro dávku síranu hlinitého v mg/l v závislosti na KNK 4,5 surové vody D = 100 x KNK 4,5 by se například na naší největší úpravně vody Želivka mělo dávkovat okolo 100 mg/l síranu hlinitého. Avšak úpravna velmi dobře pracuje s dávkami většinou v rozmezí od 17 do 21 mg/l. Pokud by chtěl technolog provozovat tuto úpravnu byť jen s poloviční dávkou vypočítanou podle vzorce, spolehlivě by odstavil zásobování Prahy pitnou vodou z této úpravny. Proto nezbývá než se spoléhat na experimentální metody a zařízení pro optimalizaci destabilizace. K experimentálnímu stanovení optimálních dávek či hodnot ph je možné používat různé postupy. K optimalizaci chemických podmínek koagulace je navržena řada experimentálních metod a také je možné využívat s různým úspěchem i některé přístroje (měření zéta potenciálu, proudového potenciálu, koloidní titraci atp.). Postupy stanovení optimálních dávek je možné zhruba rozdělit do tří skupin. První skupinu tvoří metody zaměřené výhradně na samotnou částici a na její teoreticky dovozovanou potenciální schopnost agregovat s jinými částicemi (např. zmíněné měření zéta potenciálu). Vlastní procesy koagulace a následné separace jsou považovány za jakýsi automatický následek, který musí v systému nastat. Že tento následek není tak automatický a v samozřejmém souhlasu se vstupní hypotézou by bylo možné dokumentovat na příkladech z literatury i praxe, které však přesahují rozsah tohoto příspěvku. Druhou skupinou metod optimalizace dávek jsou metody založené na sledování vlastní tvorby vloček a změn jejich velikosti např. sledováním průběhu absorbance po homogenizaci při vhodné vlnové délce [1] (využívá se Rayleighova zákona), měření velikostní distribuce vloček různými metodami (např. optické sledování kamerou a následnou analýzou obrazu) nebo kdysi používaný slovní popis vzniklých vloček. 92
Třetí skupinu tvoří metody, které navíc aplikují ještě nějaký způsob separace vznikající suspenze. Tím se snaží jednak obsáhnout více na sebe navazujících kroků, jednak simulovat vlastní proces, jak by mohl probíhat ve skutečnosti v reálném sytému při úpravě vody. Předpokládají, že hydrochemické podmínky, při kterých jsou zbytkové koncentrace důležitých složek po separaci (jako např. CHSK, zbytkový koagulant, barva atp.) nejnižší v experimentálním laboratorním postupu, jsou i nejvhodnější pro provoz úpravny. Nejobvyklejším a historicky nejstarším způsobem této poslední skupiny metod je sklenicová zkouška, ve které bylo hledáno optimum po separaci části suspenze sedimentací. Potíž někdy nastávala v případech, kdy téměř nevznikaly sedimentovatelné agregáty. Později byly proto k separaci používány také filtrační papír, laboratorní pískové plovoucí filtry nebo kolony [2,3,4] a poprvé na světě byla navržena v roce 1977 pracovníky Hydroprojektu pro separaci suspenze také centrifugace [5]. Kompletní a jednoduchý koagulační test, který navíc nevyžaduje klasickou míchací kolonu a pro separaci využívá též centrifugace, jsem na základě publikace [5] vyvíjel od roku 1977, testoval řadu let a později též publikoval [6-9]. Tento test eliminuje řadu nepřesností a nedostatků, které mají klasické varianty sklenicového koagulačního pokusu. Je určen zejména pro vody s obsahem přirozených organických látek (huminových látek), kterých je u nás naprostá většina. Nebyl vyvíjen pro vysoce zakalené vody, i když i tam je možné ho použít. Výhodou tohoto testu je také to, že jako jediný respektuje kinetické hledisko při určování optimální dávky a ph. Protože se agregující suspenze mění s časem, je pro stanovení optimální dávky důležité, kdy nastává separace. U jednostupňových úpraven to může být již po několika minutách po homogenizaci koagulantu, u dvoustupňových úpraven to může být až po hodinách. Doba zdržení (teoretická i skutečná) je důležitým charakteristickým znakem všech vodárenských zařízení a odpovídá době, po kterou mohou probíhat v systému agregační reakce. Tím je možné tento test přizpůsobit (téměř ušít na míru ) podle potřeb různých uspořádání technologické linky úpravny. Proces je možno optimalizovat podle kritéria, vedoucího k minimalizaci koncentrace neseparovatelných částic či molekul, a to pochopitelně za identických podmínek použité separační metody. To splňuje centrifugace lépe než všechny jiné metody a navíc nevnáší do systému prvky a procesy, které se ve skutečné technologické lince nemohou vyskytovat (například proces filtrace papírem, který má zcela jiný mechanismus záchytu vloček než separace vrstvou zrnitého materiálu). Při stejném postupu separace centrifugací, který se dá vyjádřit součinem odstředivého zrychlení (g) a doby centrifugace (t), je navíc zaručena vzájemná srovnatelnost výsledků z různých laboratoří po celém světě při použití stejných hodnot g.t. Vynecháním míchání navíc dosáhneme úplné fyzikální podobnosti mezi experimenty při splnění jediného předpokladu shodné teploty vody. Více podrobností je uvedeno zejména v publikacích [6-9]. STANOVENÍ OPTIMÁLNÍCH DÁVEK V PRAXI NAŠICH ÚPRAVEN VODY Na úpravnách, které jsou založeny na agregaci a následné separaci nečistot, by mělo být jedním z hlavních provozních úkolů technologa správné nastavení chemismu koagulace. Proč by tomu tak mělo být bylo stručně vysvětleno výše. Jaká je však realita? Z pohledu chemika-technologa velmi smutná. Optimalizace dávky je u nás v praxi stále velmi opomíjena a to může přinášet jak provozní problémy tak i zbytečné ekonomické ztráty. Zhruba je možné říci, že na našich úpravnách je situace v nastavení vhodné dávky koagulantu (a případně i hodnoty ph) velmi rozdílná. Na většině úpraven se koagulační pokusy vůbec nedělají a dávky se řídí kvalifikovaným odhadem technologa nebo 93
obsluhy. Na některých úpravnách se koagulační pokusy provádějí, avšak jejich hodnocení podléhá více či méně korekci technologa, protože ze zkušeností zjistil, že výsledky se někdy liší a to, co radí koagulační pokus, není dávkou, která by byla nejvhodnější pro provoz (ať z hlediska kvality upravené vody nebo ekonomiky provozu). Není to ale vina technologa ani vyhodnocení pokusu, ale otázka metodiky, která je použita a její vhodnosti pro konkrétní lokalitu. V ideálním případě by totiž měla být metodika koagulačního pokusu vypracována pro konkrétní úpravnu vody a následně a to je velmi důležité by měla být zpětně verifikována srovnáním s provozem úpravny. Znamená to, že výsledky koagulačního pokusu by v okolí nalezené optimální dávky byly také ověřeny změnou dávky v provozu a musí mít stejné trendy. Čili jinými slovy, snížením či zvýšením provozní dávky (oproti dávce, která je pro provoz navrhována na základě koagulačního pokusu) by mělo být patrné, že v provozu došlo ke zhoršení stavu. Použití místně specifické metodiky koagulačního pokusu na každé úpravně není snad nijak nepředstavitelné, pokud připustíme, že se u jednotlivých úpraven vzájemně liší jejich technologické linky a to často velmi významně. Na všech úpravnách je zřejmé, že kvalita surové vody se mění a není možné pracovat se stejnou dávkou stanovenou téměř na věčné časy. Kdyby tomu tak bylo, nebylo by třeba laboratorně stanovovat ani parametry kvality surové vody a to si pochopitelně nikdo nedovolí. Ty jsou stanovovány velmi precizně a řada provozovatelů na to využívá služeb jejich vlastních dobře vybavených akreditovaných laboratoří. Stejně tak jsou akreditovanými laboratořemi stanovovány velmi precizně a nákladně kvalitativní parametry výsledného produktu pitné vody. V tomto akreditačním ruchu však jakoby bylo přehlédnuto, že s vodou se podél technologické linky, tedy mezi analýzami surové a upravené vody, děje mnoho proměn, které jsou závislé na lidském faktoru, rozhodování, provozních zkušenostech a také na různě přesně a různě vhodně měřených provozních veličinách. Tyto změny však vůbec nepodléhají žádnému technologickému akreditačnímu dohledu, jsou však pro kvalitu výsledného produktu klíčové. Takže s vynaložením velkého úsilí mají všechny úpravny zdokumentováno, jak se neakreditovaně (a většinou podle subjektivních hledisek, kvalifikovaného odhadu a technologicky někdy nedokonalých provozních řádů) řídí procesy, jejichž výsledek je pak s maximální možnou přesností a mravenčí pílí laboratorně hodnocen. Vidím v tom obrovský nepoměr odborného úsilí. Zatímco technolog se čím dál více stává papírovým specialistou, který za celý rok nemůže ani vzít kádinku do ruky, protože nemá ani kde, ani co, naproti tomu na straně hodnocení výsledků jeho práce jsou drahé analytické přístroje, rozlehlé místnosti a personální obsazení. Dovolím si příměr. Je to, jako bychom dali zemědělci jen motyčku, rýč a hrábě a pak na hodnocení výsledků jeho rostlinné produkce šli s vybavením výzkumného ústavu. Považuji to za obrovský omyl a vysvětlím proč. Žádná z našich úpraven nebyla postavena tak, že by napřed byl proveden velmi podrobný technologický průzkum a předprojektová příprava, podle které by bylo téměř možné pak provozovat i samotnou úpravnu po její realizaci. Ten by zabral několik let a takováto příprava není v našich podmínkách zatím proveditelná a není zde potřeba diskutovat, proč tomu tak je a je-li to všude na světě stejně. Úpravny se tedy u nás staví (resp. dnes spíše rekonstruují) na základě projektů, které jsou více či méně podpořeny tou nejnutnější předprojektovou přípravou a pak se uvádějí do trvalého provozu po krátkém zkušebním provozu, který má prokázat základní vlastnosti realizovaného díla. V nich jde o to, aby na výstupu byla požadovaná kvalita upravené vody a bylo možné konstatovat, že všichni zúčastnění odvedli dobře svou 94
práci a mají dostat zaplaceno. Obecně se z toho odvozuje domněnka, že již není co zlepšovat. Když si koupíte televizi, auto či rozkládací žebřík, také nepředpokládáte, že by bylo potřeba na těchto produktech doma pak něco vylepšovat. Ale dovolím si tvrdit, že toto vůbec neplatí u úpraven pitné vody, i když jsem si jistý, že se mnou nebudou někteří lidé v oboru (zejména netechnologové) souhlasit. Pokusím se proto ukázat, proč si to myslím a proč by měla každá racionálně provozovaná úpravna mít kvalitní technologický dozor, který bude mít možnost opravdu odborně posunovat chod celé technologické linky k dosažitelnému optimu jak z hlediska kvality upravené vody, tak z hlediska ekonomického. To, že úpravna po uvedení do provozu vykazuje základní životní funkce neznamená, že automaticky dosáhla technické dospělosti, je již dobře vytrénovaná a odevzdává maximum toho, co by mohla. V dobách, kdy to nikoho netrápilo, bylo snad možné se s tím spokojit. Ale dnes, kdy se hledají úspory ve všech směrech, by tomu mělo být právě naopak. Připadá mi však, že tomu tak často není. Obrovské investice se realizují, uvedou do provozu a málokdo se postará o dobré zacvičení provozních pracovníků, či o zacvičení či vzájemné secvičení jednotlivých procesů a zařízení. Většinou záleží na samostatnosti a odbornosti vedení úpravny a obsluhy, aby vlastními silami pronikali postupně do tajů nových procesů a zařízení a pokusem a omylem zvládali, jak inovovanou technologickou linku provozovat. V této fázi má opět nezastupitelné místo technolog. Aby však mohl tyto zcela nerutinní úkoly zvládat, potřebuje k tomu nezbytně odpovídající zázemí a dovoluji si tvrdit, že tím by měla být provozní laboratoř, kterou by mohl považovat za svou vlastní. Jedině tam má možnost tvůrčím způsobem vyhodnocovat funkci provozních souborů, zkoušet provozní varianty, pružně reagovat třeba na změny kvality vody a krizové stavy v provozu (často v mimopracovní době akreditované laboratoře). Každý složitý soubor faktorů, který by bylo možné vymezit jako surová voda úpravna vody je unikátní, je třeba na to odpovídajícím způsobem i reagovat na straně provozu tohoto souboru. Pokud toto tvrzení popřeme a prohlásíme, že všechny vody i úpravny jsou téměř stejné, v podstatě se nic nestane, protože voda určitě poteče i nadále. Ale pokud chceme z investovaného zařízení vytěžit to, co může dát, (jak na straně kvality vody, tak v ekonomice provozu), musíme pro to použít více myšlenkové snahy a nemůžeme se s fungováním na úrovni oněch základních životních funkci spokojit. A to je právě úloha především pro technologa. Neobsluhuje čerpací stanici, ale v podstatě chemickou či potravinářskou továrnu. Nemůže být svazován například tím, co předepisuje laboratorní akreditace a musí mít možnost samostatně laboratorně pracovat, má-li dosáhnout nových poznatků a pokroku v mapování a řízení provozu celé technologické linky úpravny. A je to u každé úpravny vysoce odborná práce na hodně dlouhou dobu. A poté, co bude nějaká část úpravny po letech případně zrekonstruována, začíná tento úkol nanovo. Všimněme si prosím, že žádné vývojové, výzkumné či vědecké pracoviště není vůbec (či v klíčových oborech rozvoje) laboratorně akreditované, protože by to zároveň představovalo konec rozvojové práce. Ta by se mohla akreditací petrifikovat až poté, co je dokončena a vznikne něco, co může být standardizováno. Hledám-li teprve optimalizaci provozu, nemohu ji zároveň fixovat přikázáním nějakých standardních operačních postupů. V ústavech akademie či na vysokých školách prakticky nenajdete akreditovaná pracoviště, protože by to zabránilo volné výměně jak znalostí, tak lidí a to by podtrhlo jakoukoli snahu o rozvoj, inovace a získávání nových poznatků. A řádný technolog má na jemu svěřeném zařízení právě nové poznatky získávat, aby se 95
naučil tuto složitou technologickou soustavu dobře ovládat za všech okolností, které mohou nastat. Lze říci, že by se měl inspirovat poznatky kolegů, studiem odborné literatury, analogiemi s podobnými zařízeními. Ale vždy bude na každé úpravně dost faktorů, které jsou unikátní a se kterými se nikdo jiný nesetkal. A bude i dostatek případů, kdy na některé jevy nebude, ani při vlastní výborné kvalifikaci a maximální snaze, stačit a bude se muset obracet pro konzultace a odbornou pomoc mimo onu vlastní laboratoř. Snad mi to čtenáři budou věřit, protože toto tvrzení říkám na základě vlastních celoživotních zkušeností. ZÁVĚRY Optimalizace chemismu přípravy suspenze je u nás zatím stále zanedbávaná. Účinnost všech separačních procesů je však na ní jednoznačně a nezastupitelně závislá. Neexistují důvěryhodné výpočetní vztahy, které by byly použitelné pro stanovení optimální dávky koagulantu či hodnoty ph. Existuje však řada experimentálních možností, které jsou použitelné pro zjištění optimálního chemismu přípravy suspenze. I ty je však více než vhodné přizpůsobit konkrétní technologické lince úpravny a v ideálním případě je doporučeno jejich výsledky verifikovat porovnáním se skutečným provozem úpravny. Pozice technologa je nezastupitelná při hledání vhodného provozního režimu jednotlivých částí technologické linky úpravny. Pokud není využívána a nebo technolog nemá možnost vlastní experimentální práce v provozu, ochuzuje se tím poznání funkce technologické linky úpravny a tedy i možnosti její optimalizace jak z hlediska kvality vody, tak z hlediska ekonomického. LITERATURA 1. Hahn H. H., Stumm W.: v knize Advances in Chemistry Series No. 79, Adsorption from Aqueous Solution, s. 91. Amer. Chem. Soc., Cambridge, Mass. 1968. 2. Brodský A.: v knize Technická příručka pro pracovníky oboru úpravy vody. Účelový náklad ČKD Dukla, Praha 1981. 3. Mutl S.: Sklenicová optimalizační zkouška. Metodická inf. MLVH ČR č. 17. MLVH Praha 1984. 4. Maštalíř L.: A.O. 228 029, 27.12.1983. 5. Hereit F., Mutl S., Vágner V.: Vodní hospodářství, B, Vol. 27, 80 (1977). 6. Dolejš, P.: Centrifugation study of humic waters coagulation by Brownian motion. In: Chemistry for Protection of the Environment 1985, L. Pawlowski, G. Alaerts and W.J.Lacy (Eds) s. 297-310. Elsevier, Amsterdam 1986. 7. Dolejš, P.: A simple test for determination of optimal doses in the treatment of humic waters. In: Chemical Water and Wastewater Treatment, H.H. Hahn and R. Klute (Eds) s.377-390. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 1990. 8. Dolejš P.: Stanovení optimálních dávek při úpravě huminových vod koagulací. 1. Úvod a teorie. Vodní hospodářství - Ochrana ovzduší, 44, č. 3, s. 2-5 (1994). 9. Dolejš P.: Stanovení optimálních dávek při úpravě huminových vod koagulací. 2. Experimentální část. Vodní hospodářství - Ochrana ovzduší, 44, č. 7, s. 10-15 (1994). Kontakt petr.dolejs@wet-team.cz 96