Rekonstrukce ozonizace na ÚV Želivka projektová příprava Ing. Kratěna Jiří, Ph.D. 1) ; Ing. Arnošt Vožeh 1) ; Ing. Jiří Beneš 2) ; Ing. Petr Hořava 2) 1) HYDROPROJEKT CZ, a.s., Táborská 31, 140 16 Praha 4, Česká Republika jiri.kratena@hydroprojekt.cz, arnost.vozeh@hydroprojekt.cz 2) DISA, v.o.s, Barvy 784/1, 638 00 Brno, Česká republika benes@disa.cz, horava@disa.cz 1. ÚVOD Úpravna vody Želivka je největší úpravnou vody v ČR, která zásobuje především hl. m. Prahu. Do provozu byla úpravna vody uvedena v roce 1972. Podíl Želivky na zásobování Prahy pitnou vodou je cca 73 %. Pitnou vodou ze Želivky jsou zásobovány i oblasti Středočeského kraje a kraje Vysočina. Od roku 1991 byla na úpravně vody pro hygienické zabezpečení pitné vody v provozu linka ozonizace, která sestávala z jednoho generátoru ozonu od firmy TRAILIGAZ o výkonu 36 kg/h a třech směšovacích nádrží. Ozon byl vyráběn ze vzduchu a vnos do vody byl realizován pomocí keramických difuzorů ve směšovacích nádržích. V roce 2009 byla tato linka celkově rekonstruována. Stávající jeden generátor byl nahrazen dvěma novými generátory ozonu, kde je mediem pro výrobu ozonu kyslík. Směšování vyrobeného ozonu s upravovanou vodou je realizováno pomocí tzv. Gas Dispersion System (GDS). Důvodem rekonstrukce byl celkový nevyhovující stav linky ozonizace, její častá poruchovost a v neposlední řadě nízká účinnost směšování ozonu s vodou. 2. HISTORIE PROJEKTU Z výše uvedeného důvodu bylo přistoupeno k hledání řešení, jakým způsobem provést úpravy linky ozonizace na úpravně vody Želivka, aby byla zajištěná kvalita pitné vody pro celou dobu potřeby dávkování ozonu. V roce 2004 Hydroprojekt CZ ve spolupráci s vlastníkem (ÚV Želivka a.s.), správcem (PVS a.s.) a provozovatelem (PVK a.s.) zpracoval technologický audit. Závěry uvedené v technologickém auditu přesvědčily vlastníka úpravny vody o nutnosti provedení úprav linky ozonizace. V následně zpracované studii (2006) byly posuzovány v pěti variantách možnosti rekonstrukce ozonizace. Na základě vypracované studie pak byla vybrána varianta rekonstrukce linky ozonizace, která byla v letech 2009-2010 realizována. 3. POPIS VARIANT ŘEŠENÍ REKONSTRUKCE OZONIZACE Z celkového pohledu rekonstrukce byla rozhodující volba pracovního plynu pro výrobu ozonu a způsob jeho vnosu do vody. Po předchozích zkušenostech s výrobou ozonu ze vzduchu na jedné lince ozonizace a směšování pomocí probublávání vody (keramické difuzory), bylo hledáno jiné řešení. Jak již bylo uvedeno, studie rekonstrukce ozonizace byla vypracována v pěti variantách. Jednotlivé varianty se od sebe navzájem lišily v použití pracovního plynu pro výrobu ozonu (vzduch nebo kyslík) a ve způsobu směšování ozonu s vodou. Varianta 1 - návrh jedné nové linky výroby ozonu ze vzduchu o výkonu 16 kg ozonu za hodinu. Směšování barbotáží. Tedy stejný princip, jako původní linka ozonizace. Následně (po cca šesti letech provozu) výměna stávající linky TRAILIGAZ za druhou analogickou linku o výkonu 16 kg ozonu za hodinu. Výhled 2 nové linky ozonizace na původním principu. 71
Varianta 2 - zrušení současné linky výroby ozonu a návrh dvou linek o výkonu 2x16 kg/hod ze vzduchu. Směšování barbotáží. Tedy 2 nové linky ozonizace na původním principu. Varianta 3 - zrušení současné linky výroby ozonu a návrh dvou linek o výkonu 2x16 kg/hod z dovezeného kyslíku. Směšování barbotáží. Varianta 4 - zrušení současné linky výroby ozonu a návrh dvou linek výroby ozonu z dovezeného kyslíku. Směšování statickým směšovačem. Varianta 5 návrh jedné nové linky výroby ozonu z kyslíku o výkonu 16 kg ozonu za hodinu, směšování statickým směšovačem v jedné nádrži. Následně (po cca šesti letech provozu) výměna stávající linky TRAILIGAZ za druhou linku o výkonu 16 kg ozonu za hodinu. 3.1 VOLBA PRACOVNÍHO PLYNU GENERÁTORU OZONU Plynný ozon lze vyrábět z plynů obsahujících kyslík. V praxi existují tři možné způsoby výroby ozonu v generátorech ozonu: a) výroba ozonu ze vzduchu původní způsob, b) výroba ozonu z kyslíku, ze zásobníku kapalného kyslíku LOX nový způsob, c) výroba ozonu z kyslíku vyráběného na místě v generátoru kyslíku nový způsob. Po důkladném zvážení veškerých výhod a nevýhod jednotlivých způsobů a posouzení synergických účinků možných rizik byla nakonec vybrána varianta výroby ozonu z kyslíku ze zásobníku kapalného kyslíku. Kapalný kyslík skladovaný v zásobníku LOX je zplyňován v odpařovacím zařízení a plyn o čistotě cca 99,8 % a tlaku 6 bar(g) je přiváděn do generátoru ozonu, ve kterém dochází k jeho přeměně na plynný ozon. Smyslem tohoto příspěvku není detailně se zabývat výhodami a nevýhodami jednotlivých výše uvedených způsobů, nicméně je důležité zmínit hlavní důvody volby kyslíkové varianty, která přináší následující technické výhody: Především umožňuje využít možností moderních generátorů ozonu vyrábět plynný ozon o koncentraci až 13 váhových procent, přičemž u generátorů, vyrábějících ozon ze vzduchu se tato koncentrace pohybuje pouze okolo 3 váhových procent. Tím je dosaženo vysoké výtěžnosti procesu generování ozonu. Zjednodušila se údržba a obsluha systémů, které neobsahují technicky náročná zařízení na výrobu a úpravu stlačeného vzduchu Technicky náročná zařízení na výrobu a úpravu stlačeného vzduchu byla nahrazena bezúdržbovými (z pohledu uživatele) zásobníky kapalného kyslíku Celý proces je tišší a čistší Došlo k výraznému zmenšení jednotlivých zařízení Došlo k výrazným úsporám provozních nákladů, zejména nákladů na elektrickou energii a náhradní díly Veškeré rozvody, jak pracovního plynu, tak i vyráběné směsi plynů jsou menší Navazující zařízení, jak vnos ozonu do vody, tak i destruktory a potrubní trasy k nim jsou menší a energeticky méně náročné Zcela odpadají problémy s kvalitou (rosným bodem) pracovního plynu Další nespornou předností je, že zásobník kapalného kyslíku má uživatel v dlouhodobém nájmu a omezuje se pouze na kontrolu základních provozních stavů. Vše ostatní, včetně sledování množství zásoby je starostí příslušného dodavatele technických plynů. 72
3.2 VOLBA ZAŘÍZENÍ PRO ROZPOUŠTĚNÍ OZONU VE VODĚ K modernímu systému ozonizace patří moderní způsob rozpouštění vyrobeného ozonu ve vodě. Vlastní proces generování ozonu je díky současným technologiím dostatečně zvládnutý a jeho účinnost je v porovnání s minulostí na vysoké úrovni. Do popředí se tak dostává otázka účinnosti využití vyrobeného ozonu, tj. účinnost procesu rozpouštění ozonu ve vodě. Jednoduše řečeno, nestačí již pouze ozon vyrobit, ale hlavně je potřeba jej maximálně a bezproblémově využívat. Proto hlavními kritérii pro volbu způsobu rozpouštění rekonstruovaného systému ozonizace na UV Želivka byly účinnost a spolehlivost vnosu vyrobeného ozónu. Dalšími důležitými kritérii volby způsobu rozpouštění ozonu ve vodě byly rozměry směšovací nádrže (šířka 14,9 m a hloubka 8 m), požadavek na minimalizaci stavebních úprav stávajících směšovacích nádrží a nízké hydraulické ztráty při průtoku upravované vody směšovacími nádržemi. Pro rekonstruovaný systém ozonizace ÚV Želivka přicházely do úvahy tři způsoby vnosu ozonu do vody: a) vnos pomocí keramických difuzorů stávající způsob, b) vnos pomocí radiálních difuzorů vložených do potrubí-nový způsob, c) vnos pomocí GDS systému na bázi statických mísičů - nový způsob. Řešení vnosu ozonu pomocí difuzorů je všeobecně spojováno s určitými nevýhodami vyplývajícími z vlastního principu fungování difuzoru. K hlavním nevýhodám patří: nestejnoměrná velikost vytvářené bubliny a v důsledku toho i měnící se koncentrace ozonu ve vodě, velikost samotných bublin nedává předpoklady pro efektivní přestup plynu z plynné do kapalné fáze, různá rychlost vznosu bubliny v důsledku různých velikostí bublin, porézní disky jsou náchylné k zanášení a korozi nerezových částí, nutnost pravidelné nákladné údržby, všeobecně nižší účinnost. Výše uvedené nevýhody se projevily i u původního systému ozonizace na ÚV Želivka - viz samostatný příspěvek. Další zvažovanou variantou směšování ozonu s vodou, bylo využití radiálních difuzorů [3]. Principem tohoto způsobu vnosu ozonu s vodou je směšování pohonné vody s ozonem ve směšovacím zařízení (injektoru). Zde se pod tlakem vytvářejí bubliny o velikosti 2-4 mm v průměru. Připravená směs je vedena do radiálního difuzoru s vyústěním v optimální hloubce nádrže (2-6 m). Výsledný bublinový roj pokrývá celý povrch směšovací komory a zajišťuje homogenní distribuci. Vzhledem k šířce nádrží bylo pro ÚV Želivku navrženo souproudé uspořádání, tj. umístění radiálních difuzorů do přítokových potrubí DN 1200. Nevýhodou tohoto řešení je však negarantovaná účinnost využití ozonu v celém požadovaném rozsahu průtoků vody (550 1285 l/s) a množství ozonu (1-8 kg/h O 3 ). Výše uvedené nevýhody řeší systémy GDS (Gas Dispersion System) [2] na bázi statických mísičů. Jedná se o zařízení, která v sobě kombinují statické mísiče s vysokou rychlostí proudění vody s mísiči poskytujícími maximální možný kontaktní čas ozonu s vodou. V mísičích s vysokou rychlostí proudění vody je vytvářeno velké množství mikrobublin (Pre Dispersion) zajišťující ideální přestup hmoty na rozhraní fází Přestože první takový systém byl u nás použit pro rozpouštění ozonu teprve před pěti lety, tato zařízení již začínají představovat určitý nový standard v koncepci systémů ozonizace. Výhodou těchto zařízení, kromě jejich jednoduchosti a nenáročnosti 73
z pohledu obsluhy a údržby jsou zejména nízké provozní náklady a hlavně jejich garantovaná účinnost vnosu. Ta se běžně pohybuje na úrovni 95%, jsou zaznamenány aplikace s dosahovanou účinností vyšší než 99 %. V praxi to znamená, že maximálně 5 % vyrobeného a do vody nadávkovaného ozonu je destruováno v destruktorech zbytkového ozonu likvidujících nerozpuštěný ozon z reakčních nádrží ozonizace. To byly také hlavní důvody pro využití této technologie v rekonstruovaném systému ozonizace na ÚV Želivka. Kromě již zmíněných požadavků na vysokou garantovanou účinnost a bezproblémový provoz byl kladen důraz na dodržení maximální přípustné tlakové ztráty zařízení. Ta v podmínkách ÚV Želivka nesměla být vyšší než 100 mm v.s. při maximálním průtoku vody zařízením, tj. 1285 l/s. 3.3 ROZPOUŠTĚNÍ OZONU VE VODĚ VE STATICKÝCH MÍSIČÍCH Účinnost ozonu při dezinfekci resp. oxidaci je ovlivněna reakční kinetikou ozonu a rychlostí hmotnostního přestupu ozonu z plynné do kapalné fáze. Tyto faktory ovlivňují koncentraci ozonu ve vodné fázi. Tudíž proces ozonizace značně závisí na parciální koncentraci ozonu v plynné fázi (poměr O2 a O3 ve směsi) a na rychlosti hmotnostního přestupu ozonu do vodné fáze. Koncentrace ozonu v plynné fázi je limitována systémem generujícím ozon. Avšak distribuci ozonu v kapalné fázi ovlivňuje směšovací systém. Nejefektivnější způsob, jak zvýšit hmotnostní rychlost přestupu ozonu je zvýšení interfaciální plochy dostupné pro přestup hmoty, a to minimalizací velikosti bublin plynu dispergovaného v roztoku a zvýšením jejich doby setrvání v reaktoru[5]. Obr. 1 Princi směšování ozonu vodou pomocí GDS systému [2] Minimalizace velikosti bublin plynu má své ekonomické omezení. Velikost bubliny je dána rychlostí proudění vody (průtokem) a tlakem. Zjednodušeně řečeno, čím větší rychlost a tlak, tím menší bublina. A z toho vyplývající nepřímá úměra, čím menší bublina, tím vyšší provozní náklady. Z těchto důvodů probíhá prvotní rozptýlení plynu v dílčím proudu za konstantních podmínek vytvářených přídavným čerpadlem, což znamená, že není negativně ovlivňováno kolísáním průtoku a tlaku v hlavním proudu vody (viz Obr. 2). Pomocný mísič, který pracuje za konstantních a předem definovaných podmínek, vytváří mikrobubliny trvale o stejné velikosti (cca 500 µm) bez ohledu na množství vyráběné vody. Účelem hlavního mísiče je pak zajistit 74
homogenní distribuci ozonu do celého průřezu proudící vody, kde je množství proudící vody proměnné v závislosti na výkonu úpravny. Díky tomuto principu je zaručeno, že veškerá voda bude v kontaktu s ozonem a rozdíly v koncentracích rozpuštěného ozonu ve vodě budou minimální. Kombinací dvou statických mísičů je zaručen maximální možný čas kontaktu ozonu s vodou. 4. REALIZACE REKONSTRUKCE OZONIZACE Pro realizaci rekonstrukce byla vybrána varianta číslo 5, tedy výroba ozonu z dováženého kyslíku a vnos ozonu do vody pomocí statických mísičů. Před zahájením rekonstrukce bylo vlastníkem úpravny vody rozhodnuto, že po uvedení do provozu jedné linky pro výrobu ozonu bude ihned realizována linka druhá. Základní údaje Směšovací nádrž 3 ks, šířka 14,9m, hloubka 8 m Průtok nádrží 1100 2570 l/s Dávkované množství ozonu min./prům./max. dávka 0,7/1,0/2,0 mg/l Počet generátorů 2 ks Výkon generátoru 2x16 kg/hod = 32 kg/hod s regulací 5 100 % Koncentrace ozónu za generátorem 12% hm., tj. 179 g/nm 3, max. 13% hm. Výběr z garantovaných parametrů: výroba ozonu kapacita produkce ozónu (jedno zařízení) koncentrace ozónu provozní výkon (výroba ozonu) 16 kg/hod 12% hm., tj. 179g/Nm3 max. 152 kw směšování ozonu s vodou účinnost vnosu ozonu do vody min 95% tento parametr vyjadřuje poměr mezi celkovým množstvím plynu přivedeným k tomuto mísícímu stupni a množstvím plynu, které je odváděno do destruktoru. Tzn., že max. 5% z celkového množství vyrobeného ozonu bude likvidováno v příslušném destruktoru. Stěžejním problémem návrhu rekonstrukce ozonizace resp. nejvíce diskutovaným byl návrh provedení směšování ozonu s vodou. Požadované parametry zařízení na směšování ozonu (1 systém) byly následující: Průtok vody minimální 550 l/s Průtok vody maximální 1285 l/s Množství rozpouštěného ozonu min. 1,05 kg/h, tj. 6 Nm 3 /h plynu Množství rozpuštěného ozonu max. 8 kg/h, tj. 45 Nm 3 /h plynu Maximální tlaková ztráta při max. průtoku 100 mm v.s. Požadovaná účinnost systému min. 95% V průběhu hledání ideálního řešení byly britskou společností STATIFLO International Ltd vypracovány 4 detailní návrhy konstrukčního provedení GDS. Jeden (první) v potrubním provedení, další 3 byly v provedení do žlabu, přičemž 2 z nich měly hlavní mísič v horizontální a jeden ve vertikální pozici. Konečný návrh pro ÚV Želivka vycházel z koncepce dvou GDS systémů na jednu nádrž, tj. celkem 6 GDS systémů na 3 směšovací nádrže (viz Obr. 3). S ohledem na přísné požadavky na tlakovou ztrátu navrhl výrobce (britská firma STATIFLO International Ltd.) zařízení, které využívá 75
žlabové kontaktní mísiče čtvercového profilu 1400 x 1400 mm osazené do dna napouštěcích komor reakčních nádrží. Vzhledem k prostorovým podmínkám aplikace bylo nutno konstrukci kontaktních žlabových mísičů od počátku koncipovat tak, aby mohly být sestavovány až na místě, tj. ve stávajících napouštěcích komorách reakčních nádrží. Veškerá zařízení byla po sestavení v Anglii rozebrána na jednotlivé díly, ty byly převezeny na ÚV Želivka. Na místo instalace byly veškeré součásti GDS transportovány potrubím DN1200 a opětovně sestaveny do celků a ukotveny přímo v napouštěcích komorách reakčních nádrží. Takto nebylo nutno provést žádné stavební úpravy pro transportní otvory. Součástí každého z GDS systémů je odstředivé čerpadlo o výkonu 11 kw, injektor, před-disperzní statický mísič, propojovací díly, uzavírací armatury a kontrolní a bezpečnostní prvky. Tyto části jsou umístěny v prostoru armaturní komory. Vzhledem k tomu, že stavební řešení betonových stěn mezi armaturní a napouštěcí komorou neumožnilo provedení nových průrazů pro zaústění potrubí dílčího proudu před kontaktní mísič, musely být trasy těchto potrubí vedeny uvnitř stávajících ocelových potrubí nátoku DN 1200. Jednotlivé kontaktní mísiče byly doplněny systémem horizontálních a vertikálních přepážek pro usměrnění nátoku vody do a z kontaktních mísičů. Obr. 2 Schematické zobrazeni uspořádání směšování 5. ZÁVĚR 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 maximálně spolehlivou koncepci schopnou splnit přísné požadavky provozovatele v širokém spektru provozních stavů. Logickým důsledkem uvedeného technického řešení je významné snížení provozních nákladů. Z dosavadního provozu lze usuzovat, že se opět vyplatila důkladná příprava projektu, která trvala bezmála 7 let. 6. SEZNAM PUBLIKACÍ [1] DISA v.o.s: Nabídka ozonizační stanice WEDECO, březen 2006. [2] Ozonia Ltd.: Offer for Zelivka WTP, duben 2006. [3] Fendrych, A.: Studium kinetiky samovolného rozpadu ozónu ve vodě. Diplomová práce, VUT v Brně, 2010 76