Technologický audit úpravní vôd

Transcript

1 Výskumný ústav vodného hospodárstva Technologický audit úpravní vôd Karol Munka Záverečný workshop k projektu SK , VÚVH Bratislava

2 Technologický audit úpravní vôd Princíp technologického auditu - komplexná analýza technologických a prevádzkových údajov získaných pri prevádzkovaní úpravne vody - doplnenie ďalších údajov a informácií na základe vykonaných technologických skúšok úpravy vody - komplexné vyhodnotenie získaných výsledkov a vypracovanie správy s navrhnutými postupmi a opatreniami na dosiahnutie optimálneho prevádzkovania úpravne vody Technologický audit - základný prvok kvalitného prevádzkovania a možného rozvoja úpravní vôd

3 Technologický audit úpravní vôd Cieľ technologického auditu - zvýšenie separačnej účinnosti úpravne vody a splnenie požiadaviek na kvalitu pitnej vody - hľadanie kritických miest v technologickom procese - optimalizácia prevádzkovania technologických stupňov - zlepšenie ekonomiky prevádzkovania - získanie podkladov pre rekonštrukciu úpravne vody (ak je to potrebné)

4 Technologický audit úpravní vôd Koncepcia technologického auditu - hodnotenie technologických procesov úpravy vody v snahe maximálneho využitia súčasného stavu poznania Faktory ovplyvňujúce prevádzkovanie úpravní vôd - údržba technologických zariadení - nevhodná alebo nedostatočná prevádzková prax - nedostatočná kvalifikácia obsluhy - určité administratívne vplyvy - hospodárnosť prevádzkovania - pripravenosť na krízové stavy - zastaralosť a zanedbanie obnovy technologických zariadení

5 Technologický audit úpravní vôd Metodika technologického auditu 1. Vyhodnotenie základných technologických stupňov 2. Vyhodnotenie procesov úpravy vody 3. Zoradenie priorít pre faktory významne ovplyvňujúce správnu prevádzku úpravne vody 4. Realizácia Kombinovaného programu optimalizačných úprav 5. Komplexné vyhodnotenie výsledkov auditu a vypracovanie správy Dolejš 2001

6 Technologický audit úpravní vôd 1. Vyhodnotenie základných technologických stupňov - posúdenie možnosti dosahovať požadovanú účinnosť úpravy vody Typ 1 - hlavné technologické stupne sú potenciálne a bez zmien schopné dosahovať požadované ciele Typ 2 - hlavné technologické stupne sú s menšími a investične nenáročnými zmenami technologickej linky potenciálne schopné splňať požadované ciele Typ 3 - hlavné technologické stupne nie sú schopné plniť požiadavky na kvalitu pitnej vody, bude potrebné uvažovať o zásadných modifikáciach technologickej linky

7 Technologický audit úpravní vôd 2. Vyhodnotenie procesov úpravy vody (dvojstupňová úprava vody) - sledovanie kvality surovej vody a jej zmien v čase - meranie prietoku vody - stanovenie optimálnej dávky koagulantu a jej určovanie v prevádzke - posúdenie vhodnosti používaného koagulantu - dávkovanie koagulantu a ďalších chemikálií - homogenizácia koagulantu so surovou vodou - rýchle a pomalé miešanie - tvorba separovateľných vločiek - možnosť použitia polymérnych flokulantov - 1. a 2. stupeň separácie suspenzie - dezinfekcia vody

8 Technologický audit úpravní vôd Vyhodnotenie procesov - hodnotenie procesov je experimentálne, odborne a časovo náročné - určenie procesov limitujúcich účinnosť úpravne vody - experimentálne práce zamerané na prevádzkovanie všetkých základných technologických stupňov Stabilita procesov - poruchy a krátkodobé odstavenie jednotlivých technologických stupňov - nestabilné alebo prerušované dávkovanie chemikálií - hydraulické preťaženie niektorých filtrov

9 Technologický audit úpravní vôd 3. Zoradenie priorít pre faktory významne ovplyvňujúce správnu prevádzku úpravne vody - určenie limitujúcich faktorov - hľadanie vzájomných súvislostí medzi nimi (synergické alebo antagonistické vzťahy) - stanoviť poradie dôležitosti pre jednotlivé aktivity potrebné na zabezpečenie optimálneho prevádzkovania úpravne vody

10 Technologický audit úpravní vôd Klasifikácia priority faktorov Typ A - faktory významne a dlhodobo ovplyvňujúce prevádzkovanie úpravne vody Typ B - faktory majúce buď menej významné, ale dlhodobé vplyvy - faktory s významnými periodickými vplyvmi Typ C - faktory s pomerne malým alebo málo významným vplyvom na prevádzkovanie úpravne vody

11 Technologický audit úpravní vôd 4. Realizácia Kombinovaného programu optimalizačných úprav - eliminovanie limitujúcich faktorov ovplyvňujúcich prevádzku úpravne vody - podľa možnosti bez významnejších finančných prostriedkov - vstup ďalších subjektov: - naprojektovanie navrhnutých opatrení - ochrana vodárenského zdroja a kvalita surovej vody (súčinnosť s dodávateľom surovej vody) - prevádzkovateľ, majiteľ - navrhované opatrenia povedú k zlepšeniu kvality pitnej vody a prevádzky úpravne vody - pozitívny vplyv aj na ekonomiku prevádzky

12 Technologický audit úpravní vôd 5. Komplexné vyhodnotenie výsledkov auditu a vypracovanie správy - na výsledky technologického auditu by v prijateľnom čase mala nasledovať realizácia optimalizačných úprav - výsledky auditu po dlhšom čase už nemusia byť aktuálne - na zabezpečenie kvality pitnej vody ako aj na efektívne vynakladanie prostriedkov na prevádzkovanie úpravní vôd, bude nevyhnutné využívať prínosy technologického auditu

13 Technologický audit úpravní vôd Úpravne vody v SR Využívané technologické postupy - jednostupňová úprava - dvojstupňová úprava - odkysľovanie - pomalá biologická filtrácia - mechanická (priama) filtrácia - prevzdušnenie V SR bolo vybudovaných 123 úpravní vôd: - 50 ÚV (zdroj podzemná voda) - 73 ÚV (zdroj povrchová voda)

14 Projektovaná kapacita [l/s] Uvádzanie úpravní vôd v SR do prevádzky Čas [rok]

15 Počet úpravní vôd 19,0% 49,6% 28,1% 4 3,3% Rozdelenie úpravní vôd podľa projektovanej kapacity do veľkostných kategórií < 5 l/s 5 l/s - 40 l/s 40 l/s l/s > 300 l/s

16 Projektovaná kapacita [l/s] 63,7 0,8% ,6% 52,3% 34,3% Rozdelenie projektovanej kapacity úpravní vôd podľa veľkostných kategórií < 5 l/s 5 l/s - 40 l/s 40 l/s l/s > 300 l/s

17 Technologické postupy úpravy vody z podzemných zdrojov oxidácia aerácia čírenie a sedimentácia zrážanie a čiastočná dekarbonizácia filtrácia odkysľovanie (PVD); rekarbonizácia (PVD + CO 2 ) dezinfekcia adsorpcia spotrebiteľ

18 Technologické postupy úpravy vody z povrchových zdrojov predúprava vody oxidácia predúprava vody brehová filtrácia, pomalá biolog. filtrácia oxidácia Cl 2, O 3, ClO 2 čírenie a sedimentácia zrážanie a čiastočná dekarbonizácia oxidácia filtrácia infiltrácia, pomalá biolog. filtrácia dezinfekcia adsorpcia spotrebiteľ

19 Rozdelenie procesov podľa povahy separovaných látok (Sontheimer) Úprava Postup Povaha nečistôt usadzovanie mechanická flotácia suspendované látky filtrácia chemická vločkovanie koloidné látky fyzikálno-chemická a biologická zrážanie, adsorpcia iónová výmena oxidácia, membrán. sep. adsorpcia oxidácia, membrán. sep. biologická úprava rozpustené anorganické látky rozpustené organické látky

20 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Základný proces: príprava a separácia suspenzie Princíp - destabilizácia a agregácia častíc - porušenie agregátnej stability častíc - vzájomné spájanie pri zrážkach labilných častíc Koagulácia vody - perikinetická fáza - ortokinetická fáza

21 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody 1. Perikinetická fáza dn/dt = f(t) [α P, K B, N 2, η] - kinetiku tvorby agregátov v tejto fáze ovplyvňuje iba teplota vody - nutnosť dosiahnutia najoptimálnejších podmienok destabilizácie Optimálna destabilizácia - určenie optimálneho typu koagulantu - stanovenie optimálnej dávky koagulantu - stanovenie optimálnej hodnoty koagulačného ph

22 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody 2. Ortokinetická fáza dn/dt = f(g, d 3 ) [α O, N 2 ] - kinetiku tvorby agregátov v tejto fáze ovplyvňuje: a) pohyb jednotlivých čiastkových objemov vody b) pohyb častíc v gravitačnom poli vplyvom ich rozdielnych usadzovacích rýchlostí

23 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Koagulačná skúška - experimentálne určenie optimálnych podmienok destabilizácie Koagulant: Fe 3+, Al 3+ - zlepšenie agregácie: dávkovanie polymérneho flokulantu - úprava ph vápnom alebo kyselinou sa robí pred dávkovaním koagulantu Podmienky: 1. Rýchle miešanie - doba miešania: 1 min. - frekvencia miešania: 160 ot/min. 2. Pomalé miešanie - doba miešania: min. - frekvencia miešania: ot/min. 3. Sedimentácia - doba: min. 4. Filtrácia

24 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Koagulačná skúška Stanovované ukazovatele: Vzorka po odsedimentovaní a vo filtráte: - ph, zvyškový koagulant, CHSK Mn, farba, zákal, KNK 4,5, suspend. látky, absorbancia, mikrobiologické a biologické ukazovatele (predovšetkým vo vegetačnom období) Prevádzková kontrola procesu čírenia, usadzovania a filtrácie: - diskontinuálna - kontinuálna (analyzátory) ph, zvyškový koagulant, zákal, absorbancia

25 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Rýchle miešanie - hydraulické (minimum pohyblivých súčastí, malá náročnosť, spoľahlivosť - splnenie návrhových podmienok) - mechanické (väčšie kolísanie prietokov; možnosť regulovať intenzitu miešania nezávisle na prietoku) Doba zdržania vody - mechanické miešanie: - vrtuľové systémy max. 20 s - lopatkové systémy max. 2 min.

26 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Zariadenia na hydraulické miešanie: - vodný skok v žľaboch - vodný skok v žľaboch s prepážkami - clony - protismerné trysky v potrubí Hodnotiaci parameter: Δh - strata tlakovej výšky vodný skok: Δh = f(ξ, v 2, g) clony: Δh = f(s 0, S 1, S 2, v 2, g) Hydraulický tlakový rýchlomiesič - dávkovaný roztok chemikálie má byť do potrubia privádzaný nátrubkom do hĺbky asi 1/3 priemeru potrubia

27 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Pomalé miešanie (flokulácia) Priemerný rýchlostný gradient G = (P / V. μ) 0,5 P práca vykonaná miešadlom za jednotku času V objem flokulačnej nádrže μ dynamická viskozita Fe 3+ koagulanty: G < 65 s -1 Al 3+ koagulanty: G < 25 s -1 Doba zdržania vo flokulačnej nádrži: min. Campovo číslo: Ca = G. t Ca (23 000; ) - menšie hodnoty platia pre Al 3+ koagulanty - väčšie hodnoty platia pre Fe 3+ koagulanty

28 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Flokulačné nádrže - hydraulické miešanie - mechanické miešanie Pomalé hydraulické miešanie - sústava dierovaných norných stien: G = (Δh.ρ.g / η.t) 0,5 Podmienky pre hydraulické miešanie - čo najrovnomernejší prietok (doba zdržania, gradient rýchlosti) - pri preťažení tvorba vločiek nie je ukončená - v ďalšom stupni úpravy je narušená separácia vločiek - zníženie prietoku vločky vo zvýšenej miere sedimentujú už vo flokulačnej nádrži (odkalovanie zariadenia)

29 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Pomalé mechanické miešanie F = f. A. ρ. v 2 / 2 F odpor vody voči pohybujúcemu sa miešadlu f odporový súčiniteľ (cca 2) A plocha miešadla kolmá na smer pohybu v relatívna rýchlosť miešadla voči vode Gradient rýchlosti G = (P / V. μ) 0,5 P = F. v Podmienky: - plocha miešadla (15 20 % plochy priečneho prierezu nádrže) - dno, hladina vzdialenosť 15 cm - obvodová rýchlosť miešadla: 0,1 0,4 m/s (relatívna rýchlosť 75 % tejto hodnoty)

30 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Gradient rýchlosti musí v celom procese úpravy postupne a pokiaľ možno čo najrovnomernejšie klesať. Inak sa tvorba vločiek a separácia suspenzie naruší a kvalita upravenej vody nebude optimálna.

31 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Usadzovanie Zákon povrchového zaťaženia (Hazenov zákon) v N = Q / P N P N povrchová plocha usadzovacieho priestoru Q prietok vody v N povrchové hydraulické zaťaženie Usadzovacie nádrže 1. horizontálne: pozdĺžne a radiálne 2. vertikálne

32 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Pozdĺžne usadzovacie nádrže Prevádzka: 1. Prítok do nádrže - rovnomerné rozdelenie prietoku vody do prierezu nádrže - vloženie niekoľkých dierovaných stien za sebou - dobrá funkcia (strata tlakovej výšky 3 5 cm) 2. Usadzovací priestor - vzostupná rýchlosť: 0,2 0,6 mm/s 3. Sedimentovaný kal - množstvo kalu, vlastnosti, doba odkalovania - pri vyššom obsahu organických látok v kale (tvorba plynov, zníženie účinnosti) 4. Odtok z nádrže - správna funkcia prelivných hrán - zaťaženie prelivu: 3-10 m 3 /h

33 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Určovanie charakteristiky suspenzie Sedimentačná analýza (experimentálne stanovenie) - krivka usadzovacích rýchlostí častíc P(u) = c t /c 0 c t /c 0 = f(u) - krivka početnosti výskytu častíc P(u)/du = f(u) Určenie účinnosti usadzovacej nádrže pre ukazovatele: - koncentrácia koagulantu - koncentrácia NL - doba zdržania: 1,5 2 hod. 90 % účinnosť (suspend. látky)

34 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Rýchla filtrácia Otvorený rýchlofilter európskeho typu - výška filtračnej vrstvy: 1,2 1,5 m - zrnitosť piesku: 0,8 1,2 mm (1,0 1,6 mm) - filtračná rýchlosť: 3,0 3,5 m/h (do 10 m/h) Dĺžka filtračného cyklu - kvalita filtrátu (zákal: 5 ZF) - stratová výška (do 2,5 m v. st., otvorený f.) Optimálna prevádzka rýchlofiltra: - doba prevádzky pri dosiahnutí obidvoch krajných hodnôt je rovnaká

35 Jednostupňová a dvojstupňová úprava vody Pranie (regenerácia) filtrov 1. fáza, vzduch o intenzite l/s na m 2 po dobu 3 5 minút 2. fáza, súčasne voda a vzduch, voda o intenzite 4 5 l/s na m 2 a vzduch l/s na m 2 po dobu 5 6 minút 3. fáza, voda o intenzite 6 8 l/s na m 2 po dobu 5 6 minút Zásady pri praní filtrov - pranie iba upravenou vodou - voda z prania má byť odvedená do odpadu - recirkulácia vody z prania filtrov do surovej vody nie je prípustná - neperie sa surovou vodou

36 Odkysľovanie vody Odstraňovanie agresívneho CO 2 vápenato-uhličitanová rovnováha stabilita vody tvorba ochrannej vrstvy Technologické postupy - mechanické - aerácia vody (ak ďalšia úprava nevyžaduje zvýšenie obsahu Ca 2+ a Mg 2+ iónov) - chemické (nízky obsah Ca 2+ a Mg 2+ iónov) - pridávanie alkalizačných činidiel do vody - filtrácia cez odkysľovacie materiály (PVD, mramor, dolomit)

37 Kontrola odkysľovania vody 1. Mechanický postup Požiadavky na sledovanie ukazovateľov kvality vody - koncentrácia agresívneho a voľného CO 2 - parametre vápenato-uhličitanovej rovnováhy (modifik. Heyerova skúška: ph, KNK 4,5, Ca 2+ ) - v kombinácii s odželezovaním a odmangánovaní sledovanie nasýtenia upravenej vody kyslíkom Technické a technologické údaje o prevádzkovanom zariadení Aeračná veža: - merný povrch náplne - účinná výška - prirodzený odťah odplynu - suprúdne alebo protiprúdne usporiadanie - povrchové hydraulické zaťaženie - pomer prietokov vzduchu a vody

38 Kontrola odkysľovania vody 2. Filtrácia cez odkysľovacie materiály CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca HCO 3 - MgO + 2 CO 2 + H 2 O = Mg HCO 3 - Požiadavky na sledovanie ukazovateľov kvality vody - koncentrácia agresívneho a voľného CO 2 - parametre vápenato-uhličitanovej rovnováhy (modifik. Heyerova skúška: ph, KNK 4,5, Ca 2+ ) - konc. Mg 2+ (PVD, dolomit) Technické a technologické údaje o prevádzkovanom zariadení - zrnitosť odkysľovacej hmoty - výška náplne - filtračná rýchlosť (možnosť prania náplne upravenou vodou) - zapracovanie odkysľovacej hmoty (eliminovať možnosť spekania) - sledovanie úbytku a doplnenie odkysľovacej hmoty

39 Kontrola odkysľovania vody 3. Dávkovanie alkalizačných činidiel do vody Ca OH CO 2 = Ca HCO 3-2 Ca HCO OH - = 2 CaCO H 2 O Požiadavky na sledovanie ukazovateľov kvality vody - koncentrácia agresívneho a voľného CO 2 - parametre vápenato-uhličitanovej rovnováhy (modifik. Heyerova skúška: ph, KNK 4,5, Ca 2+ ) Technické a technologické údaje o prevádzkovanom zariadení - sledovanie konc. vápenného mlieka alebo nasýtenej vápennej vody - sledovanie objemového prietoku vzhľadom na prietok odkysľovanej vody - zaistiť dokonalé premiešanie roztoku vápna s celým objemom surovej vody

40 Biologické spôsoby úpravy vody - pomalá biologická filtrácia - umelá infiltrácia - biologická filtrácia - úprava vody v podloží Výroba biologicky stabilnej pitnej vody (BDOC, AOC)

41 Pomalá biologická filtrácia Pomalý pieskový filter filtračná rýchlosť: 0,1 0,2 m/h biologická blana (intenzívne oživenie aerób. mikroorganizmami) filtračný cyklus Surová voda Piesok Štrk Biologická aktivita Upravená voda

42 Kontrola pomalej filtrácie Priaznivé podmienky pre aeróbne organizmy - nasýtenie upravovanej vody kyslíkom - nízka koncentrácia kyslíka (prevzdušnenie vody pred filtráciou hydraulický skok) Limitujúce ukazovatele pre účinnosť pomalej filtrácie - CHSK-Mn: < 6,0 mg/l - farba: < 30 mg/l - zákal: < 100 ZF - suspendované látky: < 50 mg/l Prekročenie limitov: predúprava surovej vody (usadzovanie, zaradenie mikrofiltrov)

43 Stratová výška: max. 1 m v. st. Kontrola pomalej filtrácie Zapracovanie pomalého filtra po regenerácii: - veľkosť zŕn piesku: 0,15 mm priemer medzier: cca 20 µm - koloidné častice: nm - baktérie: 15 µm - záchyt suspend. častíc na povrchu zŕn piesku zmenšenie medzier - filtračná blana: 0,5-3 cm na povrchu náplne - vrstva s mikrobiálnym oživením: do hĺbky 40 cm - zapracovanie pomal. filtra: 3 5 dní (v zime 7 10 dní)

44 Kontrola pomalej filtrácie Vplyv teploty na pomalú filtráciu - baktérie - potrava pre rôzne druhy nižších organizmov (protozoa) - klesajúca teplota vody má vplyv na znižujúcu sa činnosť protozoí - pri teplotách vody nižších ako 2 C môžu baktérie prenikať cez filtračnú náplň do upravenej vody Otvorené pomalé filtre: - pri výraznejšom poklese teplôt dochádza k náhlemu odumieraniu rias kolmatácia filtra Prerušenie prevádzky pomalého filtra: max. na 24 hodín

45 Kontrola pomalej filtrácie Ukazovatele kvality vody na hodnotenie procesu - CHSK-Mn, farba, zákal, suspendované látky, kyslík, dusitany, amónne ióny, mikrobiologické a biologické ukazovatele, (Fe, Mn) - stratová výška filtračnej vrstvy resp. priebežná dĺžka filtračného cyklu pri odbere vzoriek vody (doba regenerácie pomal. filtra) - prevádzka pomalého filtra s doplnením vrstiev materiálov: - antracit - zeolit - PVD, mramorová drť

46 Ďakujem Vám za pozornosť