POZNATKY Z MÍCHÁNÍ FLOKULAČNÍCH NÁDRŽÍ POMOCÍ HYPERBOLOIDNÍCH MÍCHADEL Ing. Miroslav Mikeš 1), Ing. Jaroslav Fiala 2), Ing. Oldřich Darmovzal 3) 1) 2) 3) CENTROPROJEKT a.s., Zlín Štefánikova 167, 760 30 Zlín, e-mail: mikes@centroprojekt.cz Vodovody a kanalizace Hodonín, a.s. Purkyňova 2, č.p. 2933, 695 11 Hodonín, e-mail: fialaj@vak-hod.cz Voding Hranice spol. s r.o. Zborovská 583, 753 01 Hranice, e-mail: oldrich.darmovzal@voding.cz ABSTRAKT Přednáška pojednává o poznatcích získaných při aplikaci hyperboloidních míchadel ve flokulačních nádržích na nově zrekonstruovaných úpravnách vody v Kněžpoli a Ostrožské Nové Vsi. Dále jsou uvedeny výsledky z úpravny vody v Bzenci Přívozu, kde byl proveden dlouhodobý provozní test se zaměřením na porovnání kvality upravované vody při použití pádlových a hyperboloidních míchadel ve flokulačních nádržích při procesu dekarbonizace. ÚPRAVNA VODY KNĚŽPOLE Úpravna vody Kněžpole byla vybudována v letech 1952 1959. Původní projektovaný výkon úpravny vody byl 150 l/s pitné vody. Zdrojem vody je jímací území Kněžpole, které má 3 zdroje (Prameniště I, II, III). První významnou, avšak pouze částečnou rekonstrukcí, prošla úpravna v devadesátých letech, kdy kromě jiného došlo k rekonstrukci dvojstupňové filtrace a strojovny. V době od 06/2006 do 05/2007 proběhla druhá etapa modernizace úpravny. Původní aerátory INKA byly nahrazeny třemi moderními aeračními jednotkami typu Bubla, které zajišťují odkyselení. Dávkování vápenného mléka bylo nahrazeno ozonizací, která za aerací zajišťuje rychlou oxidaci Fe a Mn a odstraňuje problém s dekarbonizací v pískové náplni filtrů. Tab 1.: Porovnání kvality vody na ÚV Kněžpole: Ukazatel Jednotka Surová voda Před rekonstrukcí Po rekonstrukci Reakce vody ph 6,8 7,9 7,9 CHSK Mn mg/l 1,5 0,8 0,7 Ca+Mg mmol/l 4,8 5,1 4,7 Amonné ionty mg/l 0,33 0,05 0,07 Dusitany mg/l 0,02 0,02 0,03 Dusičnany mg/l 2,0 2,0 2,0 CO 2 volný mg/l 90 9,7 11,1 CO 2 agresivní mg/l 31 0,0 0,0 Železo mg/l 13,54 0,02 0,05 Mangan mg/l 1,044 0,023 0,025 143
Ozonizovaná voda je dále vedena přes reakční nádrž na flokulaci, kde byla původní horizontální pádlová míchadla nahrazena míchadly hyperboloidními. Další část úpravny je již klasická a to sedimentace kalové fáze ve dvou dvojicích nádrží s následnou pískovou filtrací. Původní desinfekce vody plynným chlorem byla nahrazena desinfekcí chlordioxidem. Celá úpravna vody byla významně doplněna v oblasti MaR. Dnešní reálný využívaný výkon úpravny je cca 80 l/s. ÚPRAVNA VODY OSTROŽSKÁ NOVÁ VES Úpravna vody Ostrožská Nová Ves byla vybudována a zprovozněna v r. 1976 jako nejvýznamnější zdroj pitné vody pro okres Uherské Hradiště. Zdrojem vody je prameniště Les, dále vodárenské jezero o ploše 90 ha, které vzniklo v důsledku těžby štěrkopísků a vrt HVN 9. Rekonstrukce úpravny vody proběhla v období od 11/2005 do 04/2007. Technologie úpravy vody na ÚV Ostrožská Nová Ves je velmi podobná jako na ÚV Kněžpole. Původní vstupní aerace byla zrušena a je nahrazena ozonizací. Ve flokulačních nádržích jsou osazena nová vertikální hyperboloidní míchadla místo původních horizontálních pádlových míchadel. Za flokulačními nádržemi jsou zařazeny dvě linky pískové filtrace a následně je voda čerpána do vodojemů. Desinfekce vody je prováděna chlordioxidem. Tab 2.: Porovnání kvality vody na ÚV Ostrožská Nová Ves: Ukazatel Jednotka Surová voda Před rekonstrukcí Po rekonstrukci Reakce vody ph 7,6 7,9 7,7 CHSK Mn mg/l 1,3 1,4 0,9 Ca+Mg mmol/l 2,4 2,6 2,5 Amonné ionty mg/l 0,31 0,06 0,08 Dusitany mg/l 0,02 0,02 0,02 Dusičnany mg/l 2,0 2,0 2,0 CO 2 volný mg/l 11,7 5,7 0,0 CO 2 agresivní mg/l 3,6 0,0 0,0 Železo mg/l 1,92 0,06 0,05 Mangan mg/l 0,44 0,075 0,022 PROVOZNÍ POZNATKY Z OBOU ÚPRAVEN Obě úpravny dodávají vodu, jejíž chemické a mikrobiologické ukazatele splňují podmínky Vyhlášky č. 252/2004 Sb. v platném znění, kterou se stanoví požadavky na pitnou a teplou vodu a četnost a rozsah kontroly pitné vody. Aplikací hyperboloidních míchadel dochází k velmi dobré flokulaci vloček vznikajících vodárenských kalů. Tvorbu vloček je možno ovlivňovat změnou otáček míchadel, která jsou vybavena frekvenčními měniči (externím v případě ÚV Kněžpole a interním v případě ÚV Ostrožská Nová Ves). Míchadla jsou v provozu téměř 1 rok a doposud nebyla zaznamenána žádná porucha. Vzhledem k tomu, že pohony míchadel jsou umístěny nad hladinou a pod hladinou jsou instalovány pouze části nepodléhající žádné nezbytné údržbě, je údržba míchadel velmi jednoduchá. Spočívá ve výměně oleje v převodovce po 10 000 hodinách provozu 144
(cca po 1 roku). Použitý je biologicky odbouratelný olej z důvodu eventuální poruchy a úniku oleje. Jednou za 5 let se pak doporučuje výměna kotevních silentbloků. Změnou technologie úpravy vody je výrazně potlačena dekarbonizace vody, ke které v minulých letech na obou úpravnách docházelo ve značné míře. Během ročního provozu se na tělech míchadel usadilo velmi malé množství kalu (tloušťka do 1 mm). Tento je možno odstranit pouhým ostřikem vodou. Nezanedbatelným přínosem je i úspora elektrické energie při provozu hyperboloidních míchadel. V případě ÚV Kněžpole a Ostrožská Nová Ves sice nejsou k dispozici měření spotřeby el. energie před rekonstrukcí, které by tento fakt potvrdilo (např. měření proudu jako v případě ÚV Bzenec Přívoz viz. dále), můžeme však porovnat alespoň instalované výkony pohonů viz. tab. 3. Tab 3.: Instalované výkony pohonů míchadel flokulačních nádržích: Typ míchadel pádlová (před rekonstrukcí) ÚV Kněžpole hyperboloidní (po rekonstrukci) ÚV Ostrožská Nová Ves pádlová (před rekonstrukcí) hyperboloidní (po rekonstrukci) Počet pohonů 2 4 2 2 P inst 1 pohon 3 kw 0,37 kw 2,2 kw 0,37 kw P inst - celkem 6 kw 1,48 kw 4,4 kw 0,74 kw Jako velmi výhodné se jeví i uložení míchadel na kompozitových lávkách, které jsou zcela bezúdržbové a mají naprosto dostatečnou únosnost pro dané provozní podmínky. ÚPRAVNA VODY BZENEC PŘÍVOZ Technologie a popis funkce ÚV Bzenec Přívoz ÚV Bzenec budovaná v letech 1986 1993 upravuje surovou podzemní vodu z kvarterních vrtů údolní nivy řeky Moravy. Byla dimenzována na 400 l.s -1 vody. Voda z pramenišť je přiváděna do úpravny vody dvěma výtlačnými řady z pramenišť Bzenec I a Bzenec III. Jedná se o dvojstupňovou ÚV s předřazenou intenzivní aerací (aerační zařízení INKA, ve čtrnácti sekcích à 30 l.s -1 ), která je instalována za účelem odkyselování a oxidace železa a manganu. Voda z aerace odtéká do nádrže rychlého míchání (vrtulové míchadlo), kam je zaústěna dávka alkalizačního vápna. Dávkuje vápenné mléko Ca(OH) 2 o koncentraci 0,5-2 %. Z rychlého míchání odtéká voda na I. separační stupeň, kterým je sedimentace. Tato je provozována ve 4 samostatných podélných sedimentačních nádržích s mostovými shrabováky kalu a s předřazenými flokulacemi. Pomalé míchání je prováděno pomocí pádlových míchadel s horizontálním uložením hřídele. Každá nádrž má dvě bubnová pádlová míchadla. Ve flokulačních nádržích probíhá vylučování hydroxidů železa ve formě vloček. Dále zde ve větší míře probíhá dekarbonizace. Na všechny části ponořené ve flokulaci se vysráží Fe(OH) 3 a CaCO 3 (ve formě kalcitu). Flokulační nádrž je oddělena od nádrže sedimentační stěnou s otvory s možností nastavování jejich velikosti. Ze sedimentačních nádrží voda odtéká na pískové filtry. Na ÚV je celkem 6 rychlofiltrů typu dvojče o ploše à 70 m 2. Filtry jsou konstrukce s mezidny. Regenerace filtrů je prováděna kombinovaným způsobem vzduchem a vodou. 145
Upravená voda z filtrů odtéká do akumulačních nádrží, kde je dávkován plynný chlor za účelem hygienického zabezpečení vody a následuje čerpání do příslušných vodojemů. Provozní test s hyperboloidními míchadly Dne 7.8.2007 došlo na ÚV Bzenec Přívoz k instalaci 4 ks hyperboloidních míchadel INVENT do flokulace č. 4. Míchadla byla namontována vždy po 2 ks na podélné lávky. V období od 9.8.2007 do 21.12.2007 proběhl dlouhodobý provozní test: srovnání dvoububnových horizontálních pádlových míchadel s vertikálními hyperboloidními míchadly. Ve flokulacích č. 1, 2 a 3 jsou umístěna vždy 2 dvoububnová horizontální pádlová míchadla s konstantními otáčkami 2-4 ot./min. Každé dvoububnové míchadlo je poháněno motorem s převodovkou o jmenovitém výkonu 3 kw. Ve flokulaci č. 4 jsou umístěna 4 hyperboloidní míchadla o průměru 1,5 m, každé s pohonem o jmenovitém výkonu 0,55 kw. Otáčky míchadel jsou řízeny frekvenčními měniči integrovanými přímo na motoru. Postupně byly vyzkoušeny otáčky v rozsahu 6-20 ot/min. Sledování sedimentace suspenze v jednotlivých flokulačních nádržích V sedimentačních odměrných válcích se netvoří dostatečně ostré rozhraní mezi odsazenou vodou a kalem, ale jen difúzní pole, takže průběžné zaznamenávání hladin kalu nebylo možné. Účinnost sedimentace tak lze určit pouze z porovnání velikosti vloček pod mikroskopem a usazovacích schopností vloček po 1 hodině sedimentace. Provedení a výsledky provozního testu Provozní test byl proveden tak, aby se co nejobjektivněji porovnala funkce, účinnost a provozní náklady vertikálních hyperboloidních míchadel s horizontálními dvoububnovými pádlovými míchadly. Nejdříve bylo provedeno nastavení stejných otáček na všech 4 hyperboloidních míchadlech, které byly cíleně zvyšovány a snižovány a dále byly nastaveny rozdílné otáčky na předních a zadních párech míchadel. Na předních párech byly na začátku testu nastaveny otáčky větší, aby se zabezpečilo optimální vytvoření vloček a na zadních párech byly nastaveny otáčky nižší, aby nedocházelo k jejich rozbíjení. Později došlo k odstavení předních párů míchadel a zadní pár zůstal v provozu a naopak. Z analyzovaných výsledků je patrné, že optimální je nastavení stejných otáček na všech 4 míchadlech, protože při nátoku do flokulačních nádrží dochází k většímu víření, a proto není nutné zvyšovat otáčky na přeních párech míchadel. Provozním testem bylo vysledováno, že optimální otáčky míchadel jsou 10 ot/min viz. dále. Při provozním pokusu se měřil proud, který motory míchadel odebíraly při svém provozu (v rámci celé flokulační nádrže) a výpočtem se stanovil příkon pohonů a spotřeba el. energie při průměrné platbě na ÚV 2 Kč za 1 kwh. Tab 4.: Proud, příkon a spotřeba el.energie v jednotlivých flokulačních nádržích Flokulace Odebíraný proud (klešť. ampérmetrem) Příkon pohonu (P 1 = 3 x U x I x cosφ) Spotřeba el. energie (Q = P 1 x 24 x 365 x 2) Flokulace č.1 7,4 A 4,60 kw 80 592,- Kč Flokulace č.2 7,9 A 4,93 kw 86 374,- Kč Flokulace č.4 1,3 A 0,81 kw 14 191,- Kč 146
Úspora na el.energii v případě nasazení stejného typu míchadel ve všech 4 flokulacích: - porovnání flokulace č. 4 s flokulací č. 1: 4 x (80 592 14 191) = 265 604 Kč/rok - porovnání flokulace č. 4 s flokulací č. 2: 4 x (86 374 14 191) = 288 732 Kč/rok Výpočet snížení zatížení filtrů Fe celk a Mn celk za 1 rok provozu: Množství upravené surové vody za rok 2007 bylo 5 365 845 m 3 /rok (170 l/s). K porovnání byly použity rozdíly průměrných hodnot koncentrací Fe celk = 0,41 mg/l a Mn celk = 0,10 mg/l ve vyčeřené vodě z UN2 a UN4. - Fe celk = 170 x 0,41 x 3,6 x 10-3 = 0,25114 kg/hod x 24 x 365 = 2 200 kg/rok - Mn celk = 170 x 0,10 x 3,6 x 10-3 = 0,06125 kg/hod x 24 x 365 = 537 kg/rok Graf 1.: Rozbory Mn celk ve vyčeřené vodě z usazovacích nádrží UN1, UN2 a UN4 1,20 1,10 1,00 UN1 - pádlová míchadla UN2 - pádlová míchadla UN4 - hyperboloidní míchadla 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 26.11.2007 (212 l/s; 0,99%) 27.11.2007 (188 l/s; 1,38%) 28.11.2007 (140 l/s; 1,90%) 29.11.2007 (212 l/s; 1,81%) 30.11.2007 (212 l/s; 1,54%) 3.12.2007 (188 l/s; 1,66%) 4.12.2007 (188 l/s; 1,89%) 5.12.2007 (203 l/s; 1,97%) 6.12.2007 (188 l/s; 1,47%) 7.12.2007 (130 l/s; 2,00%) 10.12.2007 (202 l/s; 1,54%) 11.12.2007 (188 l/s; 1,48%) Mn celk [mg/] 14.12.2007 (203 l/s; 1,34%) 18.12.2007 (182 l/s; 1,39%) 21.12.2007 (188 l/s; 1,71%) datum (výkon ÚV; Ca(OH) 2 ) Graf 2.: Rozbory Fe celk ve vyčeřené vodě z usazovacích nádrží UN1, UN2 a UN4 2,5 2 UN1 - pádlová míchadla UN2 - pádlová míchadla UN4 - hyperboloidní míchadla Fe celk [mg/l] 1,5 1 0,5 26.11.2007 (212 l/s; 0,99%) 27.11.2007 (188 l/s; 1,38%) 28.11.2007 (140 l/s; 1,90%) 29.11.2007 (212 l/s; 1,81%) 30.11.2007 (212 l/s; 1,54%) 3.12.2007 (188 l/s; 1,66%) 4.12.2007 (188 l/s; 1,89%) 5.12.2007 (203 l/s; 1,97%) 6.12.2007 (188 l/s; 1,47%) 7.12.2007 (130 l/s; 2,00%) 10.12.2007 (202 l/s; 1,54%) 11.12.2007 (188 l/s; 1,48%) 14.12.2007 (203 l/s; 1,34%) 18.12.2007 (182 l/s; 1,39%) 21.12.2007 (188 l/s; 1,71%) datum (výkon ÚV; Ca (OH) 2 ) 147
Závěry vyplývající z provozního testu Z výsledků je patrné, že při vyšších otáčkách (max. 20 ot./min), při vyšším výkonu ÚV a menší době zdržení ve flokulaci a v UN dochází k většímu rozbíjení vloček a tudíž k většímu zatížení filtrů Fe celk, Mn celk a CaCO 3. Optimální otáčky hyperboloidních míchadel jsou úměrné výkonu ÚV se zvyšujícím výkonem ÚV se tyto otáčky snižují (až na 6 ot/min) a se snižujícím výkonem se tyto otáčky zvyšují (až na 13 ot/min). Z analyzovaných výsledků je patrné, že optimální je nastavení stejných otáček na všech 4 míchadlech na hodnotu 10 ot/min, což vyhoví nejširšímu rozpětí výkonu ÚV. Toto bylo ověřeno rozbory Fe celk, Mn celk, barvy a zákalu ve vyčeřené vodě v akreditované laboratoři CHSV Bzenec Přívoz z usazovacích nádrží UN1 a UN2 (pádlová míchadla ve flokulacích) a z usazovací nádrže UN4 (hyperboloidní míchadla ve flokulacích). Z rozborů koncentrací sledovaných parametrů je patrné, že hyperboloidní míchadla jsou v porovnání s pádlovými míchadly účinnější v odbourávání těchto ukazatelů z vyčeřené vody průměrně v tomto rozsahu: Fe celk o 0,41 mg/l; Mn celk o 0,10 mg/l; zákal o 8,44 ZF(t); barva o 3,31 mg/l Pt. Výpočtem bylo zjištěno nižší zatížení filtrů o Fe celk o 2,2 t/rok a Mn celk o 0,54 t/rok, což znamená vyšší účinnost hyperboloidních míchadel ve srovnání s míchadly pádlovými. Hodnoty ph ve flokulacích a usazovacích nádržích UN1,UN2 a UN4 byly srovnatelné. Rovněž vločky suspenze, které byly analyzovány pod mikroskopem, byly ve všech flokulacích velikostně srovnatelné. Ze spotřeb el. energie vyplývá, že by při osazení všech flokulací hyperboloidními míchadly namísto pádlovými míchadly došlo k úspoře el. energie o cca 270 000,- Kč/rok. Provozním testem bylo rovněž zjišťováno, zda se mezi jednotlivými páry míchadel vytvoří tzv. virtuální dělící stěna, díky níž by se dala ušetřit skutečná děrovaná dělící stěna. Vzhledem k vysokému průtoku vody přes flokulační nádrž a jejím malým rozměrům tato virtuální stěna nevznikla. Do flokulace mezi páry míchadel je tedy nutno umístit děrovanou stěnu dle stávající projektové dokumentace. Součástí provozního testu bylo i ověření způsobů čištění míchadel po 6 měsících provozu. Na míchadlech dochází k usazovaní uhličitanu vápenatého (ve formě kalcitu), hydroxidů železa a manganu. Po 6 měsíčním testu bylo zjištěno, že inkrusty na sklolaminátových tělech míchadel jsou v tloušťce cca 3 mm rovnoměrně rozloženy po celém povrchu vč. spodní strany míchadla. Míchací schopnost není těmito úsadami nijak ovlivněna. Čištění míchadel úspěšně probíhalo tlakovou vodou v kombinaci s použitím kartáčů a kyseliny citrónové. Pro omezení usazování kalu na dně nádrže bylo zjištěno, že je optimální každý den na dobu cca 2 hodin zvýšit otáčky míchadel na 15 ot/min, čímž dojde k dostatečné homogenizaci obsahu nádrže bez vlivu na rozhodné ukazatele kvality upravované vody. Všechny výše uvedené výsledky jsou podrobně zpracovány v závěrečné zprávě z provozního vč. příslušných výpočtů, grafů, fotografií atd. Změna projektové dokumentace Vzhledem k tomu, že provozní test prokázal, že hyperboloidní míchadla splňují všechny garantované hodnoty uvedené v jejich technických parametrech a zároveň sníží zatížení filtrů, provozní náklady jsou nižší, údržba zařízení je podobná a investiční náklady (vč. nosných lávek) jsou srovnatelné jako při použití pádlových míchadel, požádá provozovatel ÚV VaK Hodonín dodavatele připravované stavby Střední Pomoraví/ Hodonínsko Projekt č. 7 Bzenec rekonstrukce a intenzifikace ÚV, o změnu projektové dokumentace a náhradu pádlových míchadel za míchadla hyperboloidní. 148