VLIV PROVOZNÍCH PARAMETRŮ FLOTACE NA SEPARAČNÍ ÚČINNOST ÚPRAVNY VODY MOSTIŠTĚ Jana Burianová, 5.ročník vedoucí práce: doc. Ing. Petr Dolejš, CSc. konzultant práce: Ing. Pavel Dobiáš Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, Ústav chemie a technologie ochrany životního prostředí, Purkyňova 118, 612 00 Brno, e-mail: xcburianova@fch.vutbr.cz ÚVOD Práce se zabývá vlivem intenzity míchání v agregačním reaktoru flotace a délky a frekvence intervalu shrabování kalu na kvalitu upravené vody vycházející ze zařízení flotace rozpuštěným vzduchem (DAF - dissolved air flotation) na úpravně vody Mostiště. Tyto dvě studované proměnné mohou mít vliv jak na kvalitu upravené vody a také na ekonomiku provozu flotační jednotky a je proto nezbytné zjistit jejich optimální nastavení v provozu. TEORETICKÁ ČÁST Flotace rozpuštěným vzduchem je založena na snížení specifické hmotnosti vloček vzniklé suspenze vytvořením agregátů mezi vločkami a vzduchovými mikrobublinkami. Pak je hustota těchto agregátů nižší než vody. Agregáty tedy překonávají gravitaci a stoupají ve vodě směrem k hladině. Vlastní reaktor DAF se skládá ze dvou částí, ve kterých probíhají dva základní procesy (obr. 1). Do první části, zvané kontaktní zóna, vstupuje voda obsahující vyvločkované nečistoty. Do této vody je zaváděn proud kapaliny nasycené pod tlakem rozpuštěným vzduchem a z něj vzniká velké množství vzduchových mikrobublin. Mikrobublinky vznikají při vstupu nasycené recirkulační vody ve speciálně upravených tryskách. Poté dochází k agregaci vloček a těchto mikrobublin. Kontaktní zóna tedy zajišťuje kontakt a připoutání mikrobublin a vloček [1]. Náhlým snížením tlaku dochází k uvolnění vzduchových mikrobublin a jejich proud je míchán s hlavním proudem vody. Vyloučené mikrobublinky vzduchu způsobují mléčný zákal vody, a proto se této vodě také říká bílá voda ( white water ). Vzduchem nasycená recirkulační voda je vytvářena v saturátoru, do kterého proudí část již upravené vody. Obvykle to bývá 6 12 % upravovaného proudu vody. Voda je sycena pod tlakem 0,5 0,6 MPa. Suspenze agregátů vločka-mikrobublina vytvořená v kontaktní zóně pak vstupuje do druhé části reaktoru, zvané separační zóna. Zde dochází k dalšímu růstu agregátů vločka-bublina a jejich pohybu k hladině. Tam tvoří souvislou vrstvu kalu, která je z hladiny shrabována mechanickým zařízením a odchází do kanálu pro odtah kalu. Upravená voda je odváděna ze dna separační zóny nádrže na další stupeň úpravny vody - filtraci. ÚPRAVNA VODY MOSTIŠTĚ Úpravna vody (ÚV) Mostiště má kapacitu 220 l/s a je z ní zásobován skupinový vodovod pro oblast Velké Meziříčí, Velká Bíteš, Olší nad Oslavou a Měřín, přivaděč do Třebíče a přivaděč do Žďáru nad Sázavou. Zásobováno je cca 75 000 obyvatel. Z vodní nádrže Mostiště je surová voda přiváděna na provzdušňovací kaskádu. Do odtoku z kaskády je dávkován koagulant. Na ÚV Mostiště se používá jako koagulant 41% roztok Sekce STČ 2006, strana 9
Fe 2 (SO 4 ) 3. Dále následuje hydraulický mísič. Odtud vzniklá suspenze pokračuje do DAF zařízení s celkovou kapacitou 110 l/s. DAF zařízení je tvořeno dvěma flotačními jednotkami. Souběžně s DAF zařízením mohou ještě fungovat dvě jednotky původních čiřičů v případě potřeby vyšší produkce upravené vody. Voda je dále vedena na pískové filtry. Desinfekce vody je prováděna pomocí Cl 2 a ClO 2 a ph je upraveno vápennou vodou. Flotace rozpuštěným vzduchem je na ÚV Mostiště novou technologií. Zařízení bylo uvedeno do provozu 28.11.2005. Důvodem zařazení nové technologie do procesu úpravy vody bylo zhoršení kvality surové vody vlivem havarijního stavu zdroje surové vody (přehrady nádrže Mostiště) a následných stavebních prací a s tím spojené nevyhovující jakosti surové vody. Stalo se prvním procesem flotace v zemích střední a východní Evropy [2,3]. Obr. 1. Schematické znázornění úpravy vody flotací rozpuštěným vzduchem EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Jako ukazatele kvality vody byla brána velikostní distribuce částic měřená pomocí analyzátoru velikostní distribuce částic (Water Particle Counter WPC-21), hmotnostní koncentrace Fe 3+ stanovovaná rhodanidem a absorbance při vlnové délce 387 nm měřené na spektrometru SPEKOL 11. Dále byly zaznamenávány hodnoty ph, absorbance při vlnové délce 254 nm a teplota vody měřené provozními měřícími přístroji ÚV Mostiště. Analyzátor částic: voda z výtoku flotace je přiváděna do analyzátoru z odtoku upravené vody na konci flotační jednotky. Analyzátor počítá částice o velikosti 2, 5, 7, 10, 15, 25, 50 a 100 μm. Neustále je měřen počet částic o velikosti 2 μm, druhá hodnota udává postupně v určených intervalech počet částic ostatních velikostí. Použité metody stanovení a materiály Stanovení hmotnostní koncentrace Fe 3+ : připraví se zásobní roztok (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2.6H 2 O (0,7022 g do 1000 ml) okyselený 2 ml koncentrované H 2 SO 4. Z něho se připraví pracovní roztok I (0,01 mg/ml) a roztok II (0,001 mg/ml). Z nich se připraví série roztoků pro sestrojení kalibrační křivky. Pracovní roztok se pipetuje do 25 ml odměrné baňky, přidá se 0,5 ml HCl (1:1) a 0,5 ml 3% H 2 O 2. Po 5 min. se vzorek doplní asi na 15 20 ml, přidá se 2,5 ml KSCN a doplní se po rysku. Stejně se připraví roztoky neznámých vzorků. Absorbance se měří při vlnové délce 480 nm. Sekce STČ 2006, strana 10
Obr.2. Analyzátor částic VÝSLEDKY MĚŘENÍ A DISKUSE Změna intenzity míchání Výsledky jsou uvedeny pouze pro nádrž 2, ve které byla intenzita míchání měněna. Nádrž 1 fungovala jako referenční, tj. se stálým provozním nastavením a výsledky naměřené pro nádrž 2 byly srovnány s hodnotami pro nádrž 1. Podmínky a výsledky měření při různé rychlosti míchání znázorňuje tabulka 1. Ve dvou případech byla použita stejná rychlost míchání, ale došlo ke změně průtoku. Tabulka 1. Podmínky a výsledky měření při různé rychlosti míchání č. měř. t ( C) intenzita rychlost míchání míchání % ot./min. D (mg/l) zbyková koncentrace Fe (mg/l) doba měření teplota dávka zákal nádrž nádrž rozdíl M1 M2 M1 M2 (2 vody síranu (NTU) 1 2 koncentrací hod.) 1 17,10 60 40 4,25 2,67 38,87 0,301 0,328 2 17,10 60 0 4,25 0,00 38,87 0,317 0,401 0,321 0,080 3 17,10 100 80 7,08 5,33 38,87 0,361 0,344 0,191 0,153 4 17,00 100 60 7,08 4,00 38,81 0,335 0,486 0,234 0,252 5 17,10 100 60 7,08 4,00 39,70 0,243 0,108 0,281 0,141 6 17,20 100 40 7,08 2,67 38,64 0,247 0,449 0,362 0,087 Sekce STČ 2006, strana 11
Porovnání počtu částic/ml při různé rychlosti míchání 120 100 počet částic/ml 80 60 40 4,25; 2,67 4,25; 0,00 7,08; 5,33 7,08; 4,00 7,08; 4,00 7,08; 2,67 20 0 2 5 7 10 15 25 50 100 rozmezí velikosti částic (μm) Obr. 3. výsledky měření analyzátorem částic při různé rychlosti míchání V legendě je vždy nejprve rychlost pro první míchadlo ve flotaci, kde je míchání rychlé a poté následuje rychlost pro druhé míchadlo, kde je míchání pomalé. Z porovnání počtu částic/ml je vidět, že nejvhodnější nastavení intenzity míchání, z těch, které jsem použila, je nastavení 7,08 ot/min (100 %) pro první míchadlo a 2,67 ot/min (40 %) pro druhé míchadlo. Změna intervalu shrabování kalu Podmínky a výsledky měření pro různé intervaly shrabování jsou uvedeny v tabulce 2. I v tomto případě je nádrž 1 referenční. Tabulka 2. Podmínky a výsledky měření při různých intervalech shrabování kalu D zbyková koncentrace Fe č.měř. t ( C) shrabování (mg/l) (mg/l) doba rychlost měření teplota prodleva hrabání rychlost dávka zákal nádrž nádrž rozdíl shrabování (2 vody (min.) (min.) (cm/min.) síranu (NTU) 1 2 koncentrací % hod.) 1 17,00 20 1 30 61,0 37,41 0,247 0,524 0,373 0,151 2 17,00 15 1 30 61,0 37,41 0,250 0,424 0,363 0,061 3 17,00 10 1 30 61,0 38,33 0,237 0,405 0,356 0,049 4 17,00 5 1 30 61,0 37,65 0,249 0,539 0,490 0,049 5 17,00 2 1 30 61,0 37,65 0,251 0,586 0,574 0,012 Sekce STČ 2006, strana 12
Porovnání počtu částic/ml pro různé intervaly shrabování 60 50 počet částic/ml 40 30 20 20 + 1 min. 15 + 1 min. 10 + 1 min. 5 + 1 min. 2 + 1 min. 10 0 2 5 7 10 15 25 50 100 rozmezí velikosti částic (μm) Obr. 4. výsledky měření analyzátorem částic při různých intervalech shrabování kalu Při porovnání výsledků analyzátoru částic pro různé intervaly shrabování jsem zjistila, že nejvhodnější by byl interval 10 min. stání a 1 min. hrabání. Při nižších intervalech se počet částic zvýšil. To platí i pro zákal. Opět je tomu jinak pro koncentraci zbytkového železa, kde nejvhodnější interval je 20 min. + 1 min. Jako vhodný interval bych tedy zvolila 10 min. + 1 min., protože stanovení ukázala dobrou kvalitu vody. Při nižších intervalech došlo pouze k nepatrnému zhoršení, ale zvýšila by se spotřeba energie. Při vyšších intervalech není také zhoršení příliš velké, ale později docházelo ke vzniku vrstvy kalu vysoké asi 20 cm, která byla velmi hustá a její váha způsobovala prohýbání lopatek hrabáku a nakonec jeho úplné zastavení. Kal musel být shrábnut ručně. Na intervalu 10 min. + 1 min. jsem se shodla i s obsluhou zařízení. ZÁVĚR Vlivy rychlosti míchání, délky intervalu a frekvence shrabování se projevily na kvalitě upravené vody. Větší vliv má změna intenzity míchání. Jako nejvhodnější se ukázalo nastavení, kdy první míchadlo má se otáčí rychlostí 7,08 ot./min. a druhé míchadlo 2,67 ot./min. Při změně intervalu shrabování se ukázalo nejlepší nastavení 10 min. stání a 1 min. shrabování. Přihlédnutím k těmto výsledkům při provozu úpravny by tedy mohla být zvýšena kvalita upravené vod vycházející z flotace a tedy i vody dodávané ke spotřebiteli. Optimalizací studovaných provozních parametrů dochází především ke snížení počtu částic obsažených ve vodě z flotace, což má příznivý vliv na další stupně úpravy. Prodlužuje se doba provozu pískových filtrů, které nevyžadují tak časté praní a snižuje se i možnost průniku částic filtrem. Sekce STČ 2006, strana 13
CITOVANÁ LITERATURA [1] Haarhoff, J. and Edzwald, J.K.: Dissolved air flotation modelling: insights and shortcomings. Journal of Water Supply: Reseach and Technology-AQUA, 2004, vol. 53, pp. 127-150. [2] Dolejš P., Dobiáš P., Mazel L.: Provozní výsledky první vodárenské flotace v ČR realizované na ÚV Mostiště. Sborník konference Vodárenská biologie 2006, s. 92-97. Praha 31.1.-2.2.2006. VŠCHT Praha a Ekomonitor, s.r.o. Chrudim, Praha 2006. [3] Dolejš P.: Flotace rozpuštěným vzduchem (DAF) pro úpravu pitné vody a její první provozní realizace v ČR. Vodní hospodářství 56, č. 4, s. 99-101 (2006). Sekce STČ 2006, strana 14