Adam Fendrych

Abstract

This paper evaluates results from the full-scale test with different types of filtration media (anthracite 1,4 – 2,5 mm, anthracite 2 – 4 mm and present quartz sand 1,6 – 4 mm) at WTP Hrobice for iron and manganese removal from groundwater. The results show that both anthracite media, after the initial ripening period, provides effective separation of dissolved manganese, a significant prolongation of filtration cycles, and lower consumption of washing water compared to existing sand media. The second part of the paper compares two types of dual media filters during the pilot test at the same WTP – 1)Filtralite mono-multi and 2) anthracite+sand. Results show that both filter media achieved similar filter lengths. Anthracite+sand has better manganese removal efficiency and lower investment costs.

Keywords

antracit, filtrace, úprava vody, předprojektová příprava

Příspěvek byl prezentován v rámci Mezinárodní vodohospodářské konference VODA ZLÍN 2020.

 

Úpravna vody Hrobice

Úpravna vody (ÚV) Hrobice o projektovaném výkonu 200 l/s zpracovává směs podzemní a povrchové vody z písníku Oplatil aktuálně v poměru 50 l/s a 73 l/s. V současné konfiguraci pracuje úpravna od roku 1997. Technologie úpravy je založená na oxidaci vody pomocí ozonu a manganistanu draselného, dvoustupňové pískové filtraci a filtraci na GAU. Podzemní voda vykazuje vysoké koncentrace železa a manganu. Naproti tomu voda povrchová se vyznačuje vyšší koncentrací organických látek a za určitých podmínek i zvýšenou koncentrací manganu. V obou zdrojích se navíc vyskytuj nadlimitní koncentrace metabolitů pesticidů. Úpravna upravuje směs podzemní a povrchové vody společně, což vzhledem k postupné eutrofizaci v Oplatile vede k problémům s úpravou vody, jelikož každý proces vyžaduje odlišné podmínky. První stupeň filtrace tvoří šest otevřených gravitačních pískových filtrů (PR 1,6 – 4 mm) o celkové ploše 180 m2. Zde se odseparuje většina zoxidovaného železa, manganu a organických látek. Druhý stupeň filtrace sestává z pětice otevřených pískových filtrů (PR 1 – 2 mm) o celkové ploše 150 m2. Filtrovaná voda je dále čerpadly dopravována do tlakových ležatých filtrů s náplní granulovaného aktivního uhlí (GAU) TL 830. GAU filtry byly navrženy primárně pro záchyt zbytkových organických látek a pro zlepšení organoleptických vlastností vody. Pro odstranění pesticidních látek je však jejich kapacita omezená. Upravená voda je zabezpečena plynným chlorem a dopravována do vodojemu Kunětická hora. V letošním roce by měla být zahájena rekonstrukce úpravny, kdy bude povrchová a podzemní voda upravována samostatně. Povrchová voda pomocí membránové filtrace s předřazenou koagulací, zatímco podzemní voda pomocí aerace, oxidace KMnO4, sedimentace a dvouvrstvé filtrace. Následně se oba proudy vody spojí a budou vedeny na ozonizaci a dále na GAU filtraci. Metody úpravy podzemní a povrchové vody byly poloprovozně odzkoušeny v rámci předprojektové přípravy.

Úvod

Účelem testů bylo ověřit provozní parametry filtrační náplně – antracitu dvou různých zrnitostí a porovnat je se stávající pískovou náplní. Šlo především o separační účinnost a spotřebu prací vody. Náplň byla volena jako jednovrtstvá. Pro test byly vyhrazeny 3 gravitační filtry (po 30 m2 filtrační plochy) na 1. separačním stupni ÚV Hrobice. Jeden stávající pískový filtr byl použit jako referenční. Z dalších dvou filtrů byl vytěžen písek a byly naplněny antracitem. V rámci současně probíhajících poloprovozních testů úpravy podzemní vody na lamelovém separátoru a následné vícevrstvé filtraci, byl navíc proveden test filtrace na dvouvrstvé náplni tvořené pískem a antracitem. Výsledky byly srovnány s výsledky získanými na náplni filtralite mono-multi (FMM).

Parametry filtrace

Testované filtry jsou osazeny tryskovým mezidnem a mají středový žlab, který odděluje filtr na 2 samostatné komory. Ostatní parametry filtru jsou uvedeny v následující tabulce.

Tab. 1 Parametry filtrů

Tab. 1 Parametry filtrů 

Všechny filtry byly prány vodou a vzduchem simultánně. V tab. 2 jsou popsány jednotlivé fáze praní filtrů, použité prací rychlosti a časy i reálně měřené spotřeby vody na jedno praní.

Tab. 2 Popis fází praní filtrů

Tab. 2 Popis fází praní filtrů

Pískové filtry před praním snižují hladinu pouze na úroveň nátokového/přepadového žlabu. Fáze praní voda + vzduch jde tedy rovnou na přepad. Filtry s antracitem snižují hladinu na úroveň náplně a poté zahajují praní. Fáze praní voda + vzduch je ukončena před tím, než hladina dosáhne přepadového žlabu.

Zapracování filtrů

Vzhledem k tomu, že účinnost separace Fe a Mn na pískové náplni na 1.stupni filtrace je dlouhodobě v podstatě 100 %, nebylo zvýšení účinnosti separace Fe a Mn cílem testů. Šlo spíše o to dosáhnout srovnatelnou účinnost separace s pískovými filtry a prodloužit filtrační cykly. Tím by došlo ke snížení četnosti praní a úspoře prací vody. Klíčové bylo tedy zapracovat novou filtrační náplň tak, aby účinně odstraňovala zejména rozpuštěnou formu Mn. To ve vodárenské praxi vyžaduje zapracování filtrační náplně a její preparaci vrstvičkou MnO2 [1].

Na začátku testovaného období vykazoval dle očekávání nejvyšší účinek separace Fe
a Mn filtr č.6 s již dlouhodobě zapracovaným pískem. Po určité době však došlo k zapracování jednotlivých antracitových náplní a jejich separační účinnost na Fe a Mn se stala srovnatelná s pískovou náplní při dosažení delších filtračních cyklů. Zapracování hrubší frakce antracitu trvalo 2 měsíce provozu pro dosažení totožných účinnosti s preparovaným filtračním pískem. Zapracování jemnější frakce 3,5 měsíce provozu. Rozdíl v délce zapracování je přičítán tomu, že hrubší frakce antracitu vykazovala delší intervaly mezi praním, a proto došlo k rychlejší preparaci jeho zrn katalytickou vrstvičkou. Pro úplnost je třeba uvést, že praní filtrů probíhá částečně nachlorovanou vodou (cca 0,3 mg/l Cl2). To vede k regeneraci vrstvičky MnO2, ale rovněž k možné redukci bakteriálního osídlení ve filtru, které oxiduje mangan biologickou cestou. Průběh zapracování náplně dokládá následující obrázek.

Obr.1 Proces zapracování antracitové náplně

Obr.1 Proces zapracování antracitové náplně

Filtrační cykly

Na základě sledování množství vyrobené vody a spotřeby pracích vody byly získány následující výsledky, které jsou uvedeny v následující tabulce.

Tab. 3 Získané provozní parametry

Tab. 3 Získané provozní parametry

Z tabulky je patrné, že obě antracitové náplně vykazují násobně delší filtrační cykly a tím i menší spotřebu prací vody. K tomu jistě přispívá, že nová antracitová náplň má naproti zapracovanému písku vyšší koeficient stejnozrnnosti a ostré hrany, které zvyšují účinnost separace suspenze. Filtrační cykly jsou ukončovány v důsledku překročení tlakové ztráty dané maximálním otevřením regulační klapky na odtoku z jednotlivých filtrů. Běžný pískový filtr je obsluha nucena prát v průměru každých 24 h. V případě zhoršení kvality vody i 2x denně. Zatímco např. filtrační cyklus antracitu 2‑4 mm je 3‑5 dní v závislosti na kvalitě vody, přičemž kvalita vody na odtoku je srovnatelná s pískovým filtrem. U písku dochází tedy k separaci suspenze převážně v rámci horní vrstvy náplně a k jejímu rychlému zanesení, zatímco u antracitu probíhá separace v celém objemu náplně. V případě zhoršení kvality surové vody dochází k částečné tvorbě koloidních forem Mn, které procházejí filtrací. V těchto časově omezených případech je účinnost separace Fe a Mn dle následujícího pořadí: písek > antracit 1,4‑2,5 mm > antracit 2‑4 mm. Roli zde hraje vyšší vrstva pískové náplně a zrnitost/vlastnosti materiálů. Písek na povrchu náplně tvoří filtrační koláč, který lépe separuje malé vločky a tím se filtr i rychleji zafiltruje. Naopak zafiltrování antracitu trvá déle kvůli objemové filtraci a účinnost separace je nižší. To se projeví i vyšším zákalem za filtry s antracitem oproti pískové náplni. Zjištěné roční ztráty u obou antracitových náplní dosahují 3 %, což je hodnota srovnatelná s běžnou pískovou náplní.

Obr. 2 Pilotní zařízení na ÚV Hrobice (Envi-Pur, s.r.o.)

Obr. 2 Pilotní zařízení na ÚV Hrobice (Envi-Pur, s.r.o.)

Poloprovozní zkoušky

V období 3.5.–4.7.2018 prováděla na úpravně společnost Envi-Pur poloprovozní zkoušky separace Fe a Mn z podzemní vody [2]. Technologie sestávala z injektorů pro provzdušnění vody, dávkování KMnO4 a NaOH, koagulace, flokulace, lamelového separátoru a z dvouvrstvého filtru plněného náplní FMM. Zásadní je, že na závěr testů jsem měl možnost filtr naplnit náplní písek/antracit. Testy s antracitem probíhaly v období 10. – 27.7.2018. Celá technologie byla provozována za stejných podmínek jako v případě FMM. Cílem testu bylo za stejných podmínek porovnat 2 odlišné filtrační náplně a jejich vhodnost a ekonomiku pro účely budoucí rekonstrukce úpravny.

Tab. 4 Složení filtračních náplní pilotní jednotky

Tab. 4 Složení filtračních náplní pilotní jednotky

Poloprovozní zkoušky ukázaly, že délky filtračních cyklů jsou srovnatelné pro oba typy náplní. Provozně již zapracovaná náplň antracit/písek dosahovala okamžité účinnosti separace Fe a Mn a jejich průnik filtrem nebyl zaznamenán. Naproti tomu filtralite dosahoval účinnosti separace Mn „pouze“ 90‑98 %. Náplň filtralite nebyla zřejmě provozně plně zapracovaná a docházelo zde převážně k separaci již zoxidovaných forem Fe a Mn. Lze předpokládat, že po řádném zapracování by bylo dosaženo srovnatelných účinností. Výsledky dokazují, že u dobře navržené dvouvrstvé náplně není z pohledu délky filtračních cyklů příliš důležité její materiálové složení. Filtrační cykly FMM byly ukončovány na základě průniku částic do filtrátu, naopak u náplně antracit/písek byly ukončovány na základě tlakové ztráty. Velmi zajímavý se jeví právě průběh tlakových ztrát podél výšky náplně vyjádřený Michauovými křivkami.

Obr.3 Srovnání průběhu tlakových ztrát FMM 2 a písek/antracit

Obr.3 Srovnání průběhu tlakových ztrát FMM 2 a písek/antracit

Průběhy křivek v horní části jsou u obou filtrů podobné a ukazují, že dochází ke správné objemové filtraci. K odlišnostem dochází až na rozhraní náplní. FMM nevykazuje na rozhraní náplní v podstatě žádné tlakové změny. Zdá se, že u jemnější náplně nedochází k měřitelnému nárůstu filtračního odporu u vyprané náplně, ani při delší době filtrace. Náplň se dle průběhu křivek chová spíše jako jednovrstvá a ve spodní, jemnější frakci nedochází k významnější akumulaci suspenze. Zdálo by se, že kapacita hrubější frakce filtralitu doposud nebyla vyčerpána a veškerá suspenze je zachycena právě zde. Avšak vzhledem k tomu, že cyklus byl ukončen na základě průniku částic do filtrátu se to nejeví pravděpodobné. Naproti tomu náplň písek/antracit vykazuje zjevné chování dvouvrstvého filtru, kdy je patrný zvýšený filtrační odpor u spodní, jemnější vrstvy a na rozhraní obou vrstev dochází k prokazatelné separaci suspenze doprovázené nárůstem tlakové ztráty.

V tab. 5 je uvedeno jednoduché provozně-ekonomické srovnání jednotlivých náplní.

Tab. 5 Srovnání testovaných náplní

Tab. 5 Srovnání testovaných náplní

Z ekonomického hlediska budou pro obě náplně zásadní investiční náklady. Provozní náklady na filtraci jsou v podstatě totožné. Cena samotného antracitu a FMM se významně neliší, avšak antracit je zde kombinován s pískem. Z celkové výšky filtrační náplně bude antracit tvořit zhruba polovinu. Druhou polovinu vyplní filtrační písek, který je již preparovaný a dostupný na ÚV bez dalších investičních nákladů Z pohledu ceny filtračního materiálu tedy vychází významně lépe antracit/písek. V případě dvouvrstvé náplně však antracit vyžaduje rozplavení při rychlosti 50 m/h (pro zrnitost antracitu 1,4 – 2,5 mm), aby nedocházelo k postupnému promíchání obou vrstev a snižování kalové kapacity. To přináší vyšší nároky na čerpání prací vody (běžné filtry cca 30 m/h) a odvod odpadní vody. I když rozplavení při 50 m/h není třeba při každém praní, vznikají zde další strojně-technické náklady (více čerpadel, větší dimenze potrubí). Nelze tedy jednoznačně říci, která náplň výhodnější, ale je třeba zvážit každý případ individuálně.

Závěr

Získané výsledky ukazují, že i dnes již téměř zapomenutý filtrační materiál antracit lze úspěšně využít pro jednovrstvou i dvouvrstvou filtraci a nabízí tak variantu k náplni filtralite. V případě odstranění železa a manganu dochází k úspěšné preparaci náplně a jeho účinnost je srovnatelná s preparovaným křemičitým pískem.

Z pohledu investičních nákladů dává smysl spíše dvouvrstvá náplň antracit/písek. Je však nutné počítat s tím, že pro dostatečné rozplavení jednotlivých vrstev náplně je třeba rychlost alespoň 50 m/h, což může být v případě většiny stávajících úpraven limitující. Zde projevuje své výhody naopak Filtralite. V případě rekonstrukcí je však možné požadavek vyššího průtoku prací vody zohlednit v návrhu, a navíc využít stávající zapracovaný filtrační písek pro zvýšení účinnosti separace Fe a Mn a ke snížení investičních nákladů.

Literatura/References

  1. Fendrych, A. (2012) Odstraňování manganu z vody. Diplomová práce. Praha, VŠCHT.
  2. Munzar, T., Brabenec, T., Hrušková, P. (2018) Poloprovozní zkoušky - podzemní voda, Úpravna vody Hrobice, závěrečná zpráva. Envi-Pur, Soběslav, 2018.

Vysvětlivky

  1. Vzhledem k tomu, že písek vybraný z filtrů 1 a 3 byl rozdělen mezi zbývající filtry, je u PF 6 výška náplně o 0,5 m větší než u PF1 a PF3.
  2. Vyšší spotřeba než u PF1 kvůli zvýšenému žlabu u PF3. Zvýšení žlabu má zabránit případným ztrátám náplně při praní. U hrubší frakce antracitu nebylo potřeba.

Autor/Author

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., Vodovody a kanalizace Pardubice, a.s., Teplého 2014, 530 02 Pardubice.

Citace/Citation

Fendrych, A. (2021). Filtrační náplň antracit – provozní a poloprovozní zkušenosti. Vodovod.info - vodárenský informační portál [online], 2021(4). Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.