Vliv teploty na dávku koagulátu a význam použití různých druhů koagulantů Ing. Klára Štrausová, Ph.D. 1) ; doc. Ing. Petr Dolejš, CSc. 1,2) ; Ing. Jana Leskovjanová 2) ; Ing. Pavel Dobiáš 1) 1) W&ET Team, Box 27, 370 11 České Budějovice a 2) FCh VUT, Brno e-mail: klara.strausova@wet-team.cz, petr.dolejs@wet-team.cz ÚVOD Vliv teploty na procesy tvorby a separace suspenze není zatím příliš prostudovanou oblastí. Vzhledem k množství faktorů, které ovlivňují procesy tvorby a agregace suspenze, je studium závislostí a vzájemných interakcí mezi jednotlivými proměnnými velmi obtížné. Proto je nezbytné volit pro studium různé metody, které pomohou existující interakce postihnout. Jednou z takových metod je faktorové plánování experimentů. Pravděpodobně nejpřehlednější souhrn dosažených poznatků o vlivu teploty vody publikoval již před řadou let Heinänen [1]. Interakce teploty s dalšími provozními parametry (zejména koagulačním ph a optimální dávkou koagulantu) neposkytuje zatím jednoznačné výsledky. Může to být vlivem použitých metodických postupů, kvality surové vody anebo i různým zvládnutím relativně náročné experimentální práce. Přírodní vody z povrchových zdrojů se vyznačují velkou proměnlivostí teplot v průběhu jednotlivých ročních období. Nízká teplota je v procesu úpravy vody doprovázena často provozními problémy, které se projevují snižováním separační účinnosti a zvýšením obsahu zbytkového koagulantu v upravované vodě. VLIV TEPLOTY Teplota vody je technologicky neovlivnitelnou vlastností upravované vody. Negativní vliv nízké teploty na úpravu pitné vody je již dlouho znám. Původních prací, které se přímo zabývají vlivem teploty na proces úpravy vody, je velmi málo. Více je publikací, které se vlivem teploty vody zabývají jen okrajově a neposkytují bohužel jasné informace, které by byly využitelné v praxi pro řízení procesů úpravy vody. Výsledky různých autorů (a na jejich základě navrhovaná opatření) se někdy liší, někdy si dokonce protiřečí [1]. Všichni autoři se shodují ve zjištění, že negativní vliv snížení teploty na tvorbu vloček je možné potlačit zvýšením doby zdržení v míchacích reaktorech, anebo zvýšením intenzity míchání. Dalším možným opatřením je dodržení optimálního koagulačního ph [2,3]. Optimalizace dávky koagulantu je dalším uváděným opatřením pro zlepšení tvorby vloček při nízké teplotě. Někdy je možné nalézt i doporučení na zvýšení dávky, které má způsobovat především zvýšení pravděpodobnosti srážek částic, avšak jiní autoři naopak experimentálně prokazují, že dávku koagulantu je potřeba mírně snížit [2,3]. 85
Negativní vliv nízkých teplot na tvorbu dobře sedimentovatelných vloček může být částečně kompenzován například zvýšením rychlostního gradientu v průběhu rychlého míchání [3,4]. Vzájemné nesrovnalosti a odporující si tvrzení mohou být způsobeny dvěma důvody: 1) Autoři používají ke svým experimentům někdy přirozené vody, jindy vody uměle připravené. Vlastnosti těchto vod se vzájemně více či méně liší, a někdy mají naprosto odlišný charakter (huminová voda voda s vysokým zákalem). 2) Druhou skutečností, která brání vzájemné srovnatelnosti výsledků, je rozdílnost posuzovaných kriterií a nejednotnost metodických postupů při experimentální práci. VÝSLEDKY Porovnání vlivu teploty na agregační reakce při úpravě vody v praxi běžně používaným síranem hlinitým - Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O, hlinitým koagulantem FLOKOR polské společnosti DEMPOL-ECO a biopolymerem chitosan již v nedávné době studovali autoři Leskovjanová a Dolejš [5]. Chitosan je přírodní polymer připravený deacetylací chitinu. Díky svým fyzikálněchemickým vlastnostem nachází chitosan široké uplatnění v různých odvětvích průmyslu a své místo postupně nalézá také v úpravy povrchových vod na vodu pitnou. Při úpravě vody se biopolymer chitosan jeví jako účinný koagulant pro odstraňování huminových látek z vody a také při snižování zákalu vody. Koagulanty Flokor jsou částečně neutralizované předpolymerované hlinité koagulanty s vysokou účinností a širokým spektrem působnosti. Vyznačují se přítomností hliníku ve formě polymerů s vázanými OH skupinami. Za použití těchto koagulantů, jak udává výrobce [6], je vliv teploty (a s tím související pokles separační účinnosti) minimální. Pro zajištění srovnatelnosti výsledků byla měření prováděna s uměle připravenou modelovou vodou. Tímto byly zaručeny stabilní hodnoty vybraných ukazatelů jakosti vody v průběhu všech prováděných experimentů. Modelová voda byla připravena smísením tří složek v určitém poměru podle požadovaných vlastností modelové vody (koncentrace huminových látek-barva, KNK 4,5, celková mineralizace atp.). Složky pro přípravu modelové vody byly: koncentrát huminové vody (rašeliniště u obce Radostín), vodovodní voda, demineralizovaná voda. Více o metodice je možné nalézt v publikaci [5]. Obrázky 1 a 2 názorně ukazují rozdíl mezi vlivy teploty na schopnosti tvorby kvalitních vloček při použití síranu hlinitého a předpolymerovaného koagulantu Flokor. Jak je patrné, výsledky s běžně používaným koagulantem síranem hlinitým vykazují značnou závislost na teplotě upravované vody. S klesající teplotou dochází ke snižování hodnoty optimální dávky koagulantu. Za optimem rapidně klesá účinnost koagulace a ještě rychleji narůstá koncentrace zbytkového hliníku v upravované vodě. Snadno tak může dojít k předávkování systému. U dalších testovaných koagulantů (biopolymer chitosan a zástupce částečně neutralizovaných předpolymerovaných hlinitých koagulantů Flokor 1,2A), je vliv nízkých teplot pozorován jen v minimální míře. 86
Obr. 1. Závislost koncentrace zbytkového koagulantu na dávce koagulantu (síran hlinitý) Obr. 2. Závislost koncentrace zbytkového koagulantu na dávce koagulantu (Flokor 1,2 A) FLOKOR V POLOPROVOZNÍCH PODMÍNKÁCH Předpolymerované koagulanty Flokor byly testovány nejen v laboratoři, ale i v poloprovozních podmínkách na modelu flotace rozpuštěným vzduchem (DAF). Jednalo se o povrchovou vodu odebíranou z vodního toku. Při studiu optimalizace koagulace a separace byl do surové vody dávkován neředěný předpolymerovaný koagulant Flokor nebo síran hlinitý a síran železitý. V průběhu poloprovozních experimentů měla surová voda tyto orientační parametry: CHSK(Mn) 3,24 mg/l ph 7,64 KNK 4,5 2,1 mmol/l Teplota 23 C Organismy 680 jedinců/ml Při modelových experimentech bylo pracováno při povrchovém zatížení od 10 do 23 m/h. Pro agregaci suspenze před flotací byly použity dva míchané reaktory modelového zařízení, ve kterých je při povrchovém zatížení 10 m/h doba zdržení celkem 15 minut. Tato celková doba zdržení byla odpovídajícím způsobem kratší v případě měření při vyšších povrchových zatíženích. V průběhu měření byly odebírány vzorky surové i upravené vody v ukazatelích absorbance při 254 a 387 nm, barvy, zbytkové koncentrace železa a hliníku. Zároveň byl provoz kontinuálně sledován analyzátorem částic ARTI WPC-22 (Hach Lange). Porovnání obou druhů koagulantů uvádí obr. 3. Jak vyplývá z výsledků, s předpolymerovaným koagulantem Flokor je možno pracovat při nižší dávce (vyjádřené jako koncentrace hliníku) a získat jí na odtoku z modelu flotace srovnatelnou kvalitu upravené vody. 87
Obr. 3. Závislost koncentrace hliníku na odtoku z modelu flotace na dávce koagulantu VLIV TEPLOTY A INTENZITY MÍCHÁNÍ Podrobně studoval vztah a vliv teploty a intenzity míchání na procesy úpravy vody Dolejš [2-4,7]. Při klasických způsobech plánování experimentů by studium interakcí tolika proměnných vyžadovalo až desítky tisíc modelových experimentů. V daném případě by při časové náročnosti jednoho modelového pokusu (přibližně jeden den) byl takto pojatý rozsah experimentální práce nezvládnutelný klasickými postupy plánování a hodnocení experimentů. Jedinou cestou k popisu celé soustavy je použití statistických metod plánování a hodnocení experimentů a počítačové zpracování naměřených výsledků. Proto byly experimenty prováděny podle rozvrhu centrálně plánovaného ortogonálního třífaktorového pokusu, o kterém jsme referovali např. v [8]. Jako první nezávisle proměnná byla volena teplota vody, další dvě nezávisle proměnné byly postupně vybírány ze souboru technologických proměnných. V této publikaci se - vedle teploty - věnujeme vlivům gradientů rychlého a pomalého míchání. K pokusům byla používána modelová voda. Bylo tak zaručeno, že vzájemné srovnání pokusů v jednotlivých sériích nebude ovlivněno jinými parametry než těmi, které byly voleny jako proměnné faktory pokusů. Složení modelové vody bylo následující: CHSK(Mn) 8 mg.l -1 Barva 50 mg.l -1 Pt HCO3-0,6 mmol.l -1 Suma Ca+Mg 0,5 mmol.l -1 ph 6,75 Vliv teploty je možné ilustrovat velmi hezky sledováním podílu makročástic, tj. podle definice v [9], velkých, dobře sedimentujících vloček. Jak vyplývá z obrázku 4, je při nízké teplotě možné kompenzovat její negativní vliv aplikací vyšší intenzity míchání. Při vyšší teplotě (15 C) může již zřetelněji než při nižší teplotě (3 C) docházet k tomu, že aplikace vyššího gradientu pomalého míchání může podíl makročástic naopak snižovat, protože je tříští. Vidíme také, že gradient rychlého míchání (RM) ve studené vodě výrazně přispívá tvorbě makročástic, zatímco v teplé vodě je jeho vliv již menší. Nízké hodnoty gradientu RM je možné částečně kompenzovat vyššími hodnotami gradientu pomalého míchání (PM). 88
Obr. 4. Podíl makročástic v závisloti na gradientu pomalého (PM) a rychlého míchání (RM) při teplotě 3 C Obr. 5. Neagregovaný podíl v závisloti na gradientu rychlého míchání (RM) při konstatním gradientu pomalého míchání (PM) 8 s -1 Při nízkých teplotách vody je v oblasti vysokých gradientů RM možné dosáhnout nižších hodnot neagregovaného podílu koagulantu (obr. 5). Neagregovaný podíl je charakterizován jako zbytek základní složky koagulantu, který není odstranitelný centrifugací (za určitých zvolených podmínek centrifugace). Velikost neagregovaného podílu je za určitých podmínek centrifugace v dobré korelaci se zbytkovou koncentrací koagulantu po filtraci na elementární vrstvě písku. V oblasti nízkých teplot se projevuje zvýšení gradientů míchání v proměřovaných intervalech na procento neagregovaného podílu koagulantu jednoznačně kladně. Se zvyšováním teploty se posunuje optimum 89
hodnot gradientů RM směrem k nižším intenzitám míchání a velkost použitého gradientu RM ztrácí částečně vliv na tento parametr. Pro dvoustupňovou separaci klasickými procesy sedimentace a vločkového mraku bude vždy významný vliv na procento makročástic. Z výsledků vyplývá, že je velice těsná souvislost mezi použitou výší gradientů rychlého a pomalého míchání a tvorbou makročástic. Se snižující se teplotou se začíná objevovat oblast úbytku makročástic (následkem jejich tříštění) při vyšších hodnotách gradientů míchání. Pro jednostupňovou i dvoustupňovou separaci je vždy snaha o minimalizaci procenta neagregovaného podílu. Vliv gradientu rychlého a pomalého míchání na velikost neagregovaného podílu se zřetelně uplatňuje pouze v oblasti nejnižších teplot. Souhrnně je možné říci, že vliv teploty a gradientů míchání se silně odráží na velikostní distribuci částic. ZÁVĚRY Teplota má vliv na procesy destabilizace a tvorby suspenze a tím i na kvalitu upravené vody. Teplota je parametr surové vody, který nemůžeme ovlivnit, je však možné výběrem vhodných intenzit míchání a také vhodného koagulantu tento vliv omezovat. Předpolymerované koagulanty Flokor firmy DEMPOL-ECO skýtají velký potenciál pro zlepšení procesů úpravy vody, který by mohl být přínosem zejména v zimním období. Poděkování Děkujeme vlastníkům a provozovatelům všech úpraven vod, na kterých jsme pracovali, za spolupráci a také za kolegiální a přátelské prostředí při našich experimentech. LITERATURA [1] Heinänen J.: Effect of temperature on water treatment. Aqua Fennica, 17, No. 2, 201-220 (1987). [2] Dolejš P.: Interakce teploty a technologických parametrů úpravy přirozeně barevných vod. Disertační práce, VŠCHT Praha, 1980. [3] Dolejš P.: Vliv teploty na koagulaci pří úpravě huminových vod. Sborník konference Pitná voda z údolních nádrží 1995, s. 68-75. W&ET Team, Č.Budějovice 1995. [4] Dolejš, P.: Effects of temperature, coagulant dosage and rapid mixing on particle-size distribution. Environment Protection Engineering. Vol. 9, No. 1, 1983, pp. 55-65. [5] Leskovjanová J., Dolejš P.: Vliv teploty na tvorbu separovatelných agregátů za použití různých koagulantů. Sborník konference s mezinárodní účastí Pitná voda, s. 189-194. Hydrotechnológia Bratislava s.r.o, Bratislava 2010. [6] DEMPOL-ECO: Koagulanty nové generace. Sborník konference Pitná voda 2010, W&ET Team, České Budějovice, 2010. [7] Dolejš P., Štrausová K.: Vliv teploty a gradientu rychlého a pomalého míchání na tvorbu suspenze. Sborník konference Modernizácia a optimalizácia úpravní vod, Stará Lesná, 2.-3.3.2011, (v tisku). [8] Štrausová K., Dolejš P.: Využití faktorového plánu experimentů při poloprovozním měření a v předprojektové přípravě. Sborník XIV. Mezinárodní konference Voda Zlín 2010, s. 73-78. Moravská vodárenská a.s., Zlín 2010. [9] Hereit F., Mutl S., Vágner V.: Hodnocení provozu úpraven vody. Vodní hospodářství, B, 27, 80 (1977). 90