VYHODNOCENÍ ZKUŠEBNÍHO PROVOZU ÚPRAVNY VODY HRADIŠTĚ Ing. Ladislav Bartoš 1), Ing. František Fedor 2), doc. Ing. Petr Dolejš, CSc. 3,4) 1) 2) 3) 4) Veolia Voda ČR a.s., Praha Pařížská 11, 110 00 Praha 1, ladislav.bartos@veoliavoda.cz Severočeské vodovody a kanalizace a.s. Teplice Přítkovská 1689, 415 01 Teplice, frantisek.fedor@scvk.cz W&ET Team, České Budějovice Box 27, Písecká 2, 370 11 České Budějovice Fakulta chemická VUT v Brně p.dolejs@tiscali.cz Anotace: Příspěvek podává základní informace o rekonstrukci a zkušebním provozu ÚV Hradiště rozhodujícím zdroji pitné vody v ústeckém kraji. Zkušební provoz prokázal zlepšení provozní spolehlivosti technologie, snížení poruchovosti provozu a snížení provozních nákladů. Mezi největší přínosy patří zhruba 30 % úspora prací vody a 70 % úspora spotřeby elektrické energie. Abstract: The process and benefits of rehabilitation of the Hradiste WTP, the largest waterworks in the North Bohemian region, is presented in the paper. Basic reconstruction works were targeted in principle on the filtration step. The old monomedia filters with nozzle floor were refurbished into dual media filters with the Leopold underdrain. New filters provide savings of about 70 % of electricity bill and 30 % of wash water amount. Popis technologické linky ÚV Hradiště ÚV Hradiště je jednostupňovou úpravnou s přípravou suspenze v reakční nádrži. Na vstupu je do potrubí surové vody dávkován síran hlinitý. Koagulační ph je možno udržovat dávkováním vápenné vody na tomtéž místě. Po průtoku rychlomísiči přitéká voda do středových válců dvou unikátně rekonstruovaných kruhových reakčních nádrží vybavených nenastavitelnými děrovanými stěnami. Voda protéká děrovanými stěnami radiálně a je odváděna sběrným žlabem po obvodu nádrže. Před nátokem na filtraci je v místě zvýšené turbulence dávkován pomocný organický flokulant. Po filtraci je pro stabilizaci dávkován CO 2 a vápenná voda. Hygienické zabezpečení je provedeno dávkováním NH 4 Cl a následně chlóru. Původní projektovaná kapacita úpravny byla 1050 l/s upravené vody. Od konce 90. let byla maximální využívaná kapacita snížena na 750 l/s z důvodu celkově zhoršeného technického stavu technologické linky. Maximum výkonu úpravny ve výši 750 l/s bylo při rekonstrukci zachováno. Surová voda přitéká z VN Přísečnice. Kóta dna se nachází v 688,70 m.n.m, kóta koruny hráze v 735,90 m.n.m. a kóta maximální hladiny v 734,28 m.n.m.. Zásobní prostor má objem 46,670 mil. m 3. Odběrný objekt je vybaven čtyřmi odběrovými horizonty ve výškách 722,00; 714,00; 707,00 a 700,20 m n.m. [1]. K odběru vody pro úpravnu jsou využívány pouze první dva, výjimečně odběr z kóty 707,00 m n.m.. 137
Kvalita běžně odebírané surové vody je dlouhodobě vcelku dobrá. CHSK Mn kolísá v rozmezí 2,5 5,0 mg/l, koncentrace hliníku je stabilně pod 0,05 mg/l. V minulosti býval problematickým parametrem mangan s koncentrací až 0,15 mg/l. Po rekonstrukci odběrového objektu se koncentrace manganu v surové vodě snížila na cca 0,08 mg/l. Popis rekonstrukce Rekonstrukce byla kvůli finanční náročnosti rozdělena do více let a dotkla se rozhodujících částí technologické linky a některých souvisejících celků. Zásadně byla změněna konstrukce reakčních nádrží a filtrace. Byla přidána linka přípravy a dávkování roztoku KMnO 4. Samozřejmostí byla výměna armatur a potrubí za nerezová. Zásadní rekonstrukcí prošla akumulace. Částečně bylo řešeno kalové hospodářství. Nově byl instalován ASŘTP se všemi souvisejícím prvky, čidly, měřidly, vizualizací a řídícím programem. Kvůli novému strojnímu vybavení bylo nutné provést i kompletní rekonstrukci rozvodny a rozvodů vysokého napětí. Ve všech prostorech dotčených rekonstrukcí byla provedena rekonstrukce stavebních konstrukcí, obnoveny elektrostavební instalace a podle potřeby i vzduchotechnika a vytápění. Přívod surové vody a dávkování Na vstupu surové vody do úpravny byla instalována dávkovací smyčka meandr na přívodním potrubí, kam jsou zaústěny přívody chemikálií, které je potřebné na úpravně v tomto místě dávkovat. V potrubí jsou osazeny homogenizační kříže pro intenzivnější a míchání dávkovaných chemikálií. Dále jsou instalovány odběrné kohouty a provozní ph-metry. Funkce všech souborů dávkování byla během zkušebního provozu bezproblémová. Reakční nádrže pro přípravu suspenze (agregační reaktory) Původní kruhové nádrže byly vybaveny poruchovým a téměř nefunkčním pomalým mícháním. Nádrže byly využívány jen k prodloužení doby zdržení vody v systému bez vnosu energie. První nádrž byla rekonstruována v předstihu. Po ověření funkčnosti jejího unikátního konstrukčního řešení s nenastavitelnými děrovanými stěnami byla stejně rekonstruována i druhá. Strojní vybavení bylo odstraněno a stavební konstrukce sanovány. Poté byly instalovány plastové nenastavitelné děrované stěny tvořící soustavu mezikruží, kterým proudí voda od středového válce do jednotlivých sekcí, kde se postupně mění velikost a počet děr ve stěnách tak, aby byly za každého průtoku dodrženy optimální hydraulické podmínky pro tvorbu suspenze. Sběrným žlabem je voda odváděna do jímky, odkud natéká na filtraci. Filtrace Filtrace prošla nejzásadnější změnou. Původní měla 12 filtrů rozdělených na dvě poloviny po šesti filtrech klasické konstrukce s mezidnem a naplněné běžným filtračním pískem FP2. Postupně se začaly objevovat poruchy v místech ukotvení mezidna ke stěně. Vznikaly zkratové proudy při praní filtraci. Dalším důvodem rekonstrukce byl stav potrubí a armatur. Při rekonstrukci byla polovina filtrace ponechána v provozu a druhá byla rekonstruována. Došlo k omezení maximální kapacity úpravny na 500 l/s. Spoluprací dispečinku a distribuce nebyl po dobu rekonstrukce zaznamenán jediný problém se zásobováním. Původních 6 filtrů bylo kompletně vybouráno a do prázdných betonových van bylo instalováno 8 nových. Mezidno bylo nahrazeno drenážním systémem Leopold, jehož výhodou je pokrytí dna filtru aktivní plochou pro průtok pracích médií z cca 95 %, 138
čehož není možné dosáhnout žádným jiným drenážním systémem s filtračními hlavicemi. Dochází tím k odvádění filtrátu po celé ploše dna filtru. Při praní naopak nedochází ke vzniku ani zkratových proudů ani mrtvých prostorů, které mohou být zdrojem kontaminace upravené vody. Nová filtrace je provozována systémem declining-rate, založeném na volném neregulovaném nátoku na všechny filtry. Hladiny ve všech filtrech jsou i bez regulace vždy prakticky na shodné úrovni. Drobné rozdíly jsou dány rozdílným průtokem jednotlivými filtry (nejnižší hladina je na filtru, který byl vyprán naposled a produkuje tedy nejvíce filtrátu). Jednotlivé filtry odebírají z celkového objemu vody jen takový podíl, který jsou schopny propustit v závislosti na zanesení filtračního lože. Systém teoreticky nevyžaduje žádnou regulaci. Jedinými regulačními elementy by měly být přelivné hrany na odtoku z filtrů, pomocí nichž je nastavována maximální počáteční filtrační rychlost u čerstvě vypraného filtru. Při požadavku na široký rozsah výkonu celé úpravny by byla manipulace s přelivnými hranami pro obsluhu náročná a nastavení systému je proto řešeno nastavením klapek na odtocích z filtrů. Tyto manipulace byly z počátku pro obsluhu náročné zejména při odlaďování řídícího systému, kde nevyhovoval složitější způsob provedení regulace z řídícího počítače. Nové filtry mají dvě vrstvy náplně, lišící se hustotou a velikostí zrna a po vyprání by měly být dobře odděleny. Určitá přechodová vrstva, ve které jsou obě filtrační náplně promíchány, je přirozená a podle současných poznatků i žádoucí. V první hrubší vrstvě tvořené antracitem dochází k separaci větších vloček a jemnější vločky jsou separovány v přechodové a dále v pískové části filtrační náplně. Provoz rekonstruované filtrace a získané zkušenosti Popis uvedení nové filtrace do provozu a první dosažené výsledky byly již zveřejněny v publikacích [2, 3]. Filtrační cyklus byl po podrobném kontinuálním sledování prodloužen až na 72 hodin. Toto nastavení fungovalo bez problémů po dobu několika týdnů. Bylo potvrzeno, že rekonstruovaná filtrace pracuje podle očekávání, poskytuje velmi kvalitní vodu a je možné ji provozovat při podstatně delších filtračních cyklech než filtraci původní [2, 3]. Bylo také nezbytné vyřešit některé problémy, které se při spouštění nových či rekonstruovaných děl běžně vyskytují. Vedle postupného odlaďování řídícího systému byla v prvních měsících provozu hlavním problémem absolutní nespolehlivost zákaloměrů, umístěných na odtoku z každého filtru. Obsluha tehdy neměla žádnou možnost kontinuálního sledování kvality filtrátu a zaučování se na novém systému tedy probíhalo (zejména v době mimo provoz laboratoře) vlastně naslepo. To se odrazilo i v některých výsledcích. Kdyby zákaloměry fungovaly alespoň od doby, kdy přestala být úpravna kontinuálně sledována zástupcem dodavatele, resp. projektanta v pozici technologa stavby, bylo by zřejmě vyloučeno, aby došlo k situacím, při kterých se objevily odchylky v kvalitě upravené vody od běžného standardu, kdy se zbytkový hliník většinou pohybuje kolem detekčního limitu používaných metod. Obsluha totiž z důvodu nemožnosti kontinuální kontroly kvality filtrátu nemohla postupovat podle provozních pokynů, které byly pro zkušební provoz formulovány. V historických datech, která jsou k dispozici, se již na starých filtrech v době po zavedení dávkování polymeru a zprovoznění rekonstruované přípravy suspenze běžně vyskytovaly velmi nízké koncentrace hliníku v upravené vodě. Koncentrace přesahující hodnoty 0,10 mg/l již byly považovány za podezřelé a při takovýchto výsledcích bylo prověřováno optimální nastavení provozu. 139
Určitou dobu po spuštění nové filtrace byla několikrát překročena normovaná koncentrace hliníku 0,20 mg/l na odtocích z jednotlivých filtrů. Toto chování nové filtrace bylo velmi zvláštní. Bohužel nové zákaloměry opakovaně přecházely do poruchových stavů, což v této fázi zkoušení nové filtrace komplikovalo práci. Po několika dnech resp. filtračních a pracích cyklech docházelo někdy k nárůstu koncentrace hliníku ve filtrátech a následně i v upravené vodě. Situace byla proto opakovaně řešena mimořádným praním celé filtrace. Nepodařilo se nám dohledat, čím byl tento přechodný jev způsoben. Pravděpodobnou možnost vysvětlení uvedeme dále ve vztahu k nátoku vody na filtr. Na rozdíl od projektu nebylo z rozhodnutí investora do filtrů při rekonstrukci osazeno potrubí pro distribuci přítoku surové vody na filtr. Po spuštění nových filtrů se ukázalo, že při soustředění nátoku vody do filtru pouze z jednoho místa ve stěně filtru vznikaly ve filtračním loži prohlubně (obr. 1). Bylo proto po několika měsících přistoupeno k osazení původně projektovaného přítokového potrubí s oboustrannými odbočkami po celé délce filtru. Nyní je přitékající voda rozvedena rovnoměrně po celé ploše filtru (tvar potrubí je patrný z obr. 2). Zůstává pochopitelně otázkou, jaký vliv mohl mít vznik různě hlubokých prohlubní ve filtrační náplni na kvalitu upravené vody a byl-li i příčinou občasných provozních potíží. Na základě výsledků byl zatím nastaven filtrační cyklus do velmi bezpečné oblasti v rozmezí 48 56 hodin. Při dobré kvalitě surové vody a optimálním chodu technologie je možné filtrační cykly prodloužit na 64 hodin a více tak využít kalovou kapacitu nových filtrů. Od listopadu 2006 je již provoz stabilizován a koncentrace hliníku v upravené vodě se opět pohybují na hranici měřitelnosti použité analytické metody. Odmanganování Při rekonstrukci byl na úpravně nově instalován technologický celek přípravy a dávkování roztoku KmnO 4. Samotná technologie a její funkčnost byla odzkoušena bez přípravy roztoku tzv. na vodu. Firma W&ET Team Č. Budějovice připravila v listopadu 2006 testování technologie odmanganování a na základě dříve provedené laboratorní studie bylo doporučeno dávkovat do přítoku surové vody do úpravny společně roztok KmnO 4 a vápenné vody, tak aby byla dosažena vhodná hodnota ph pro oxidaci manganu s využitím původních nádrží rychlomísení. Následně bude roztokem síranu hlinitého a případně kyselinou snížena hodnota ph na koagulační optimum v reakčních nádržích (6,0 6,3). Při přípravných pracích byla prověřena možnost zvýšení hodnoty ph. Bylo potvrzeno, že je možné dosáhnout ph vhodného pro oxidaci. Při hodnotách vyšších než 8,0 by však již bez dávkování kyseliny docházelo k nežádoucímu posunu hodnoty ph v reakčních nádržích mimo koagulační optimum, což by se projevilo zhoršenou koagulací. Z tohoto důvodu bude nutné při provozním použití dávkovat vedle koagulantu také kyselinu (HCl nebo H 2 SO 4 ). K prověření samotné technologie dosud nebyla možnost, neboť v nádrži Přísečnice došlo ke skokovému snížení koncentrace manganu v celém profilu nádrže. Opakovaně provedené zonační odběry stav potvrdily. Pro pokus nebyla nalezena dostatečná koncentrace manganu ani na dně nádrže. Pokud dojde k pravidelnému kolísání kvality surové vody v parametru mangan, bude odmanganování v provozu úpravny prověřeno v letošním roce. 140
Původní neupravené přítokové potrubí do filtru Obr. 1: Prohlubeň ve filtračním loži při provozu bez potrubí pro distribuci přítoku na filtr Nově osazené přítokové potrubí s odbočkami Obr. 4: Přítokové potrubí doplněné dle původního projektu do rekonstruovaných filtrů Provozně-ekonomické vyhodnocení Základním cílem rekonstrukce bylo zlepšení kvality vyráběné vody a zvýšení provozní spolehlivosti technologie. Po uplynutí ročního zkušebního provozu rádi konstatujeme, že tento cíl se podařilo jednoznačně splnit. Dalším cílem bylo snížení spotřeby elektrické energie. Původní linka obsahovala zařízení, jejichž výkonová úroveň současně i náročnost na spotřebu elektrické energie neodpovídala současným trendům. Jednalo se především turbodmychadla pracího vzduchu, čerpací techniku a osvětlení. Výměnou za moderní zařízení a prodloužením pracovní doby filtrů došlo k vysokým úsporám spotřeby elektrické energie (obr. 3). 141
Velmi příznivě se provoz rekonstruované technologie projevil i ve spotřebě prací vody. Před rekonstrukcí byla pracovní doba filtru 24 hodin a po této době se podle provozních podmínek pralo 9-12 původních filtrů. Při spotřebě cca 300 m 3 na jeden filtr to představovalo zhruba 95 000 m 3 /měs. prací vody. Rekonstrukce prodloužila pracovní doby filtrů, které nyní činí běžně 56 hodin. Ačkoliv nová technologie vyžaduje praní dvouvrstvých filtrů vyšší intenzitou, poklesla spotřeba prací vody na hodnoty okolo 73 000 m 3 /měs. Porovnání spotřeby elektrické energie 400 000 350 000 2004 300 000 250 000 kwh 200 000 150 000 2007 100 000 50 000 0 1 2 3 4 5 6 měsíc 2004 2007 Obr. 3: Spotřeba elektrické energie při provozu původní a rekonstruované filtrace Závěry Zkušební provoz za jeden a půl roku provozu rekonstruované filtrace jednoznačně prokázal výrazné zlepšení provozní spolehlivosti technologické linky, snížení poruchovosti provozu a v neposlední řadě snížení provozních nákladů, které představuje úsporu kolem 70 % elektrické energie a 30 % prací vody. Díky odpovědnému přístupu investora Severočeské vodárenské společnosti, a.s., zhotovitele SMP Construction, a.s., provozovatele Severočeských vodovodů a kanalizací a.s. a v neposlední řadě také projektanta, kterým byl Hydroprojekt CZ, a.s. lze rekonstrukci základních částí technologické linky úpravny vody hodnotit jako velmi úspěšnou. Literatura: 1. www.povodiohre.cz 2. Dolejš P., Dobiáš P.: První výsledky z rekonstruované filtrace na ÚV Hradiště. Sborník konference Pitná voda 2006, s. 183-188. W&ET Team, Č.Budějovice 2006. 3. Dolejš P., Dobiáš P.: Výsledky provozu rekonstruované filtrace na ÚV Hradiště. Sborník konference s mezinárodní účastí Pitná voda, s. 173-180. Slovenský národný komitét IWA a SvF STU Bratislava 2006. 142