MOŽNOSTI DOPLNĚNÍ TECHNOLOGIE ÚPRAVNY VODY O DALŠÍ TECHNOLOGICKÉ STUPNĚ REKONSTRUKCE ÚPRAVEN VODY III. MLÝN A JIRKOV Ing. Josef Drbohlav 1), doc. Ing. Petr Dolejš, CSc. 2,3) 1) 2) 3) HYDROPROJEKT CZ a.s. Praha Táborská 31, Praha 4, josef.drbohlav@hydroprojekt.cz W&ET Team, České Budějovice Box 27, Písecká 2, 370 11 České Budějovice, p.dolejs@tiscali.cz FCh VUT, Brno Úvod V druhé polovině dvacátého století byla v České republice vystavěna řada úpraven vody, které jsou dodnes významnými zdroji pitné vody. Potřeba výstavby nových zdrojů pitné vody byla v řadě regionů vyvolána nárůstem potřeby vody především průmyslových závodů. Významným odběratelem pitné vody však byly i obyvatelé díky výstavbě řady nových sídlišť a zejména zvyšováním procenta obyvatel připojených k veřejné vodovodní síti. Útlum potřeby vody, který byl vyvolán především útlumem průmyslové výroby, tlak na výstavbu nových zdrojů pitné vody utlumil a vyvolal řadu otázek, jak dál s kapacitou úpraven vody, které v některých oblastech svým výkonem násobně překračují potřebu pitné vody. Úpravny vody, které dosud nebyly rekonstruovány, se dnes potýkají s řadou problémů, které jsou důsledkem využívání zastaralého technologického zařízení, ale i zhoršující se jakostí surové vody. Zajistit výrobu pitné vody je pak stále komplikovanější. Příčiny zhoršování jakosti surové vody Příčin zhoršování jakosti surové vody je řada a ovlivňovány jsou i regionálními podmínkami. V horských oblastech severních a západních Čech je hlavní příčinou zhoršování jakosti surové vody odlesnění horských partií hor, které bylo vyvoláno spalováním nekvalitního hnědého uhlí v České republice, v Německu a v Polsku. Odlesnění bylo způsobeno především spadem kyselých dešťů, nevhodnou strukturou lesních kultur a celkovým zhoršením životního prostředí. Půda ztrácí schopnost akumulovat dešťové vody a voda rychle odtéká do toků a nádrží. I když byla provedena řada opatření vedoucích k nápravě, situace z hlediska jakosti surové vody se zatím podstatně nemění. V zemědělských oblastech se po zlepšení situace v první polovině devadesátých let opět zvyšuje obsah dusičnanů. Větším problémem však začíná být nárůst obsahu pesticidů, jak důsledek zvyšující se zemědělské činnosti. V oblastech s vyšší hustotou osídlení je možné zaznamenat nárůst koncentrace léčiv, které sice v současnosti neznamenají významné riziko, ale přesto není možné tento problém do budoucnosti přehlížet. Vývoj kvality surové vody velmi dobře demonstruje přiložený obrázek, který byl převzat z publikace [1]. V této publikaci byla již diskutována problematika změn kvality surové vody a byly předloženy úvahy o možnostech rozšíření jednostupňových úpraven o první separační stupeň a to i za velmi výrazných omezujících podmínek, například prostorových, které nevyžadují či neumožňují stavby nových budov. 87
Souš ÚV, voda surová, CHSK Mn 1980-2006 14,0 12,0 10,0 CHSK Mn [mg/l] 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 01.01.80 31.12.80 31.12.81 31.12.82 31.12.83 30.12.84 30.12.85 30.12.86 30.12.87 29.12.88 29.12.89 29.12.90 29.12.91 28.12.92 28.12.93 28.12.94 Datum 28.12.95 27.12.96 27.12.97 27.12.98 27.12.99 26.12.00 26.12.01 26.12.02 26.12.03 25.12.04 25.12.05 25.12.06 Obr. 1. CHSK Mn surové vody na ÚV Souš v letech 1980 2006 a její trend [1] Důsledky zhoršování jakosti surové vody Technologické linky pro úpravu vody byla koncipovány na základě znalostí o kvalitě surové vody z doby jejich vzniku a autoři návrhů jen těžko mohli odhadovat současný negativní vývoj. Jejich technologické návrhy pochopitelně také vycházely z tehdejších znalostí a stavu techniky u nás. Dopady zhoršování jakosti surové vody je možné shrnout do těchto bodů: zhoršování jakosti surové vody vyvolává zvyšování dávek chemikálií, zejména koagulantu, což přetěžuje separační stupně, především u jednostupňových úpraven., úpravny vody jsou na hranici svých provozních možností a snižuje se jejich účinnost. Důsledkem jsou problémy se zabezpečením jakosti upravené vody, to vše se projevuje zvyšováním spotřeby prací vody s následnými nároky na kalové hospodářství. Požadavky na jakost upravené vody, likvidace odpadních vod Legislativní požadavky na jakost upravené vody, od kterých se odvíjejí i nároky na kvalitu technologie úpravy vody se postupně zpřísňují. Poznání v této oblasti přináší řadu požadavků, které jsou promítány do standardů pro jakost upravené vody a tím stanovují požadavky na kvalitu technologie úpravy vody. K významnější posunům v legislativních požadavcích však došlo v případě likvidace odpadních vod produkovaných při úpravě pitné vody. Dříve standardní metody vysoušení kalových vod na kalových lagunách již v současnosti nesplňují přísné imisní limity na kvalitu vypouštěných odpadních vod. 88
Návrh rekonstrukce úpravny vody Při návrhu rekonstrukce technologické linky úpravny vody je vždy potřeba vyřešit celý komplex otázek, na které je nutné podrobně odpovědět. Teprve po analýze všech problémů je pak možné rozhodnout o přístupu k řešení. K návrh rekonstrukce úpravny vody je proto třeba přistupovat v několika krocích: Stanovení výkonu úpravny vody Nejprve je třeba rozhodnout, na jaký výkon bude úpravna vody rekonstruována. Potřebný výkon je třeba odvodit od potřeby vody v navazujícím distribučním systému. Častou chybou je, že se i pro stav po rekonstrukci požaduje výkon na základě původní kapacity úpravny vody a nezohlední se skutečný vývoj potřeby vody v regionu. Ve větších systémech (vodárenských soustavách) úpravny vody zpravidla pracují s provozními rezervami, které umožňují jejich zastupitelnost. Rezervy jsou však využívány výjimečně. Je proto otázkou jak dimenzovat jednotlivé technologické stupně a dávkování chemikálií. Pro výrobu vody v havarijních situacích by měly být využívány instalované provozní rezervy. Technologická linka úpravny vody Při návrhu rekonstrukce, případně návrhu doplnění technologické linky úpravny vody, se zpravidla zabýváme těmito otázkami: jakost surové vody a její vývoj v čase a časová distribuce hodnot klíčových parametrů, příprava suspenze agregace, často ve spojení s odstraněním dalších látek, např. manganu, doplnění prvního separačního stupně, případně náhrada existujícího (flotace, sedimentace nebo čiřič s lamelovou vestavbou, zatěžovaná sedimentace), zvýšení účinnosti pískových filtrů rekonstrukcí stávajících filtrů a změna systému praní nebo využití dvouvrstvých filtrů, doplnění dalších technologických stupňů, např. ozonizace a filtrace granulovaným aktivním uhlím, Kalové hospodářství Nahrazení ve většině případů nevyhovujících kalových polí či kalových lagun, případně jiných řešení, je třeba řešit v úzké vazbě na navrhované úpravy technologické linky úpravny vody. Řešením je využití technologických zařízení pro zahuštění kalů (sedimentace, flotace) a odvodnění kalů (kalolis, odstředivka, šnekový lis). Cílem je získat dostatečně odvodněný a dobře trasportovatelný kal, který bude možné uložit na skládku. Účelné může být rovněž recirkulovat část odpadních vod a směšovat je se surovou vodou. Prvním vodítkem pro rozhodování o návrhu rekonstrukce a doplnění technologické linky úpravny vody o první separační stupeň může být následující obr. 2, který jsme již publikovali v minulosti a zde ho znovu uvádíme pro lepší ilustraci našich úvah. Ukazuje orientační vztahy mezi průměrnými hodnotami zákalu a biologického oživení surové vody vyjádřeného jako chlorofyl a (pro hrubé přiblížení je možné nahradit koncentrace chlorofylu a ukazatelem mikroskopický obraz a tyto hodnoty pro účel snazší interpretace tohoto obrázku orientačně přepočítat na počet organismů v poměru 10 µg/l = 1000 jedinců/ml). V našich povrchových vodách je většinou významnějším ukazatelem počet organismů v surové vodě než zákal. 89
Obr. 2. Oblasti vhodného výběru separačních procesů (podle [2]) Podkladem pro rozhodnutí o uspořádání technologické linky úpravny by však měl být vždy komplexní chemicko-technologický průzkum spojený s poloprovozními zkouškami, které ověří vhodnost jednotlivých zvažovaných technologických variant. Tyto někdy zdánlivě nákladné zkoušky v rámci předprojektové přípravy přinášejí podstatné informace pro návrh procesů úpravy, a většinou také významnou úsporu jak investičních, tak provozních nákladů a také spolehlivost a robustnost provozu úpravny Rekonstrukce úpravny vody III. Mlýn a Jirkov Obě úpravny vody, pro které Hydroprojekt CZ a.s. v současnosti zpracovává projektovou dokumentaci, mají hodně společného. Byly postaveny v šedesátých letech minulého století s jednostupňovou technologií úpravy vody. Zdrojem surové vody jsou poměrně malé nádrže umístěné v podhůří Krušných hor na tocích, do kterých je přiváděna voda z horských partií Krušných hor. Surová voda je zpravidla velmi málo mineralizovaná. V pravidelných periodách se v ní vyskytují počty organismů řádově v tisících jedinců na mililitr, ale také vysoké koncentrace zákalu a barvy po přívalových deštích. Z toho je jasné, že vody obsahují zvýšené koncentrace huminových látek a ty jsou doprovázeny i manganem, jehož koncentrace občas mírně překračují 0,05 mg/l. Vývoj kvality surové vody ve zdrojích těchto dvou úpraven potvrzuje současný trend, pozorovaný i na jiných nádržích [1], který není sice dramatický, ale je z dlouhodobého hlediska významný. Zhoršování kvality surové vody z technologického hlediska se také projevuje i vyšší četností extrémů. 90
Na úpravě vody Jirkov proběhly v roce 2007 paralelně poloprovozní zkoušky flotace a zatěžované sedimentace, ve kterých byla posuzována vhodnost těchto technologií pro první separační stupeň. Na základě těchto poloprovozních zkoušek byla zvolena pro první separační stupeň flotace (DAF). Obr. 3. Úpravna vody Jirkov Výkon obou úpraven vody byl stanoven ve studii, kterou vypracovaly Severočeské vodovody a kanalizace a.s.. Obě úpravny vody dodávají upravenou vodu do Severočeské vodárenské soustavy a v jejich výkonu je definována provozní rezerva, která umožní pokrýt výpadek v dodávce upravené vody z dalších zdrojů. Provozní zkušenosti ukazují a potvrzují to i výsledky posouzení současného stavu z chemicko-technologického a technického hlediska, že dnešní jednostupňová úprava vody s pískovými filtry je při zhoršení kvality surové vody na hranici, možná již za hranicí použitelnosti. Bylo proto potřeba rozhodnout, zda nahradit pískové filtry dvouvrstvými filtry a nebo zda doplnit do technologické linky první separační stupeň. Chemickotechnologické posouzení, poloprovozní zkoušky a technické posouzení ukázalo, že v obdobích zhoršené kvality je surová vody na hranici mezi volbou Obr. 4. Úpravna vody III.Mlýn dvoustupňové technologie úpravy vody nebo jednostupňové technologie s využitím dvouvrstvých pískových filtrů. Při rozhodování, které nebylo jednoduché, byla zvažována tato kritéria: očekávané další postupné zhoršování jakosti surové vody v řadě ukazatelů, především pak v ukazatelích mikroskopický obraz, CHSK Mn a zákal, 91
možnosti etapové výstavby: zachování a rekonstrukce jednostupňové filtrace s pískovými filtry by znamenalo pouze zlepšení technického stavu, ale nebylo by významným posunem z hlediska zajištění výsledné jakosti upravené vody, náhrada pískových filtrů dvouvrstvými by znamenala investici, ale zřejmě jen s omezenou dobou trvání. Odpovídajícím způsobem by bylo třeba dimenzovat trubní rozvody, čerpací stanice prací vody a kalové hospodářství, tato investice by pak po předpokládaném doplnění prvního separačního stupně v další etapě nebyla dostatečně využita, protože by dvouvrstvé filtry nebyly v kombinaci s dobře fungujícím prvním separačním stupněm potřebné, dimenzování kalového hospodářství jednostupňová úpravna vody produkuje násobně větší množství odpadních vod než dvoustupňová technologie s kvalitně pracující prvním separačním stupněm (tj. který má účinnost přibližně 95 % a více). To zásadně ovlivňuje návrh výkonu prvního stupně kalového hospodářství, kterým je odvodnění odpadních vod. Poloprovozní zkoušky Na obr. 5 je poloprovozní model flotace rozpuštěným vzduchem (DAF) firmy ENVI-PUR, s.r.o. instalovaný na ÚV Jirkov, na kterém byla měření prováděna. Obr. 6 byl převzat ze zprávy [3]. Ilustrativně zobrazuje separační účinnost flotace jako prvního separačního stupně na ÚV Jirkov v parametru CHSK Mn. První tři hodnoty podél časové osy představují účinnost při nominálním hydraulickém zatížení (tj. při povrchovém zatížení 10 m/h), další tři při hydraulickém zatížení 50 % a poslední tři hodnoty na časové ose měření představují separační účinnost při 150 % nominálního hydraulického zatížení (tj. při povrchovém zatížení 15 m/h). Odstranění CHSK Mn flotací dosahuje téměř hodnot, které jsou na ÚV Jirkov po současné pískové Obr. 5. Poloprovozní model flotace rozpuštěným vzduchem (DAF) filtraci. firmy ENVI-PUR, s.r.o. instalovaný na ÚV Jirkov Odstranění hliníku za flotací dosahuje hodnot okolo 85 % a je téměř nezávislé na hydraulickém zatížení modelu v rozmezí 50 150 % návrhového výkonu. Podobná vynikající stabilita tohoto procesu byla zjištěna i pro všechny zbývající sledované hodnoty - TOC a počty organismů. 92
Počty organismů v upravené vodě za flotací byly v těchto experimentech pro dobrou účinnost flotace taktéž typické. Při počtech v surové vodě, které se pohybovaly okolo 100 org./ml, se pouze v jednom případě z devíti vzorků se ve vodě za flotací odlišoval jejich počet od nuly. Při hydraulickém přetížení o 50 % byly vedle dvou vzorků nulových jen v jednom případně nalezeny 2 organismy. Vzhledem k tomu je možné říci, že separační účinnost flotace se v tomto parametru blížila 10 % a ověřili jsme, že účinnost zůstávala téměř absolutní i při hydraulickém přetížení na 150 % návrhového výkonu. To vše je jistě velmi významné i proto, že jednostupňové úpravny jsou obecně citlivé na vyšší počty organismů v surové vodě a flotace by zajistila takové snížení počtů organismů ve vodě přiváděné na filtraci, že při realizaci flotace by bylo prakticky vyloučeno, aby za jakýchkoli okolností pronikly do upravené vody. ChSK (Mn) [mg/l] 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 9:00 9:3010:0 13:3 14:0 14:3 18:0 čas 18:3 19:0 odtok přítok přítok odtok Obr. 4. Srovnání účinnosti separace CHSK Mn flotací při vlastním dávkování síranu hlinitého Závěr Výsledné rozhodnutí o rekonstrukci těchto úpraven zahrnuje technologickou linku s dvoustupňovou technologií úpravy vody s využitím flotace (DAF). Bylo provedeno s vědomím toho, že dojde k určitému zvýšení celkových nákladů stavby oproti zachování původní jednostupňové technologie, a že dvoustupňová technologie bude zřejmě po část roku určitým nadstandardem z hlediska jakosti surové vody, avšak bude zajišťovat dobrou robustnost celé technologické linky a tím i kvalitu upravené vody a i z hlediska provozních nákladů bude mít své jasné opodstatnění. Literatura 1. Dolejš P., Michalová J., Blažek K.: Možnosti doplnění prvního separačního stupně na jednostupňových úpravnách vody. Sborník konference s mezinárodní účastí Pitná voda, s. 119-126. Hydrotechnológia Bratislava s.r.o, Bratislava 2007. 2. Janssens J., Buekens A.: Assessment of Process Selection for Particle Removal in Surface Water Treatment. AQUA, 42, 5, 279-288 (1993). 3. Dolejš P., Dobiáš P., Drda M.: ÚV Jirkov výsledky z modelového poloprovozu flotace. Zpráva W&ET Team, České Budějovice 2007. 4. Hydroprojekt CZ a.s., Drbohlav J. a kol., Rekonstrukce úpravny vody III. Mlýn, DUR, leden 2008. 93